Giáo trình Kỹ thuật xung

LỜI GIỚI THIỆU Kỹ thuật xung là môn học cơ sở của nghành Điện – Điện tử và có vị trí khá quan trọng trong toàn bộ chương trình học của sinh viên và học sinh, nhằm cung cấp các kiến thức liên quan đến các phương pháp cơ bản để tạo tín hiệu xung và biến đổi dạng tín hiệu xung. Giáo trình Kỹ thuật xung gồm 4 chương, được biên soạn cho hệ cao đẳng nhằm giúp sinh viên có các kiến thức cơ bản về tín hiệu xung và hiểu được các nguyên lý cơ bản của các mạch tạo xung, biến đổi dạng xung với nhiều linh kiện khác nhau. Để giúp sinh viên nắm vững lý thuyết, có các ví dụ, bài tập ứng dụng và bài tập thiết kế mạch ứng với từng phần. Sau khi hoàn tất môn học sinh viên có thể tự thiết kế một mạch tạo xung với các thông số yêu cầu cho những mạch ứng dụng cụ thể. Dù có nhiều cố gắng, giáo trình cũng không thể tránh khỏi thiếu sót, rất mong sự đóng góp ý kiến từ các đồng nghiệp và các sinh viên. Tp, Hồ Chí Minh năm 2006 Đào Thị Thu Thủy MÔN HỌC: KỸ THUẬT XUNG 1. Mã môn học: 2. Số đơn vị học trình: 2 3. Trình độ thuộc khối kiến thức: Khối chuyên ngành. 4. Phân bố thời gian: Lý thuyết 80% - bài tập 20% 5. Điều kiện tiên quyết: Không 6. Mô tả vắn tắt nội dung môn học: Môn học bao gồm các phương pháp tạo xung và biến đổi dạng xung: mạch RLC, mạch xén, mạch kẹp, mạch so sánh, dao động đa hài. 7. Nhiệm vụ của sinh viên: Tham dự học và thảo luận đầy đủ. Thi và kiểm tra giữa học kỳ theo qui chế 04/1999/QĐ-BGD&ĐT. 8. Tài liệu học tập: 9. Tài liệu tham khảo: [1]. Jacob Millman, PULSE DIGITAL AND SWITCHING WAREFORMS , [2]. Nguyễn Việt Hùng, KỸ THUẬT XUNG VÀ SỐ [3]. Nguyễn Tấn Phước, KỸ THUẬT XUNG 10. Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên: - Nắm được cơ bản nội dung môn học. - Có tính chủ động và thái độ nghiêm túc trong học tập. - Kiểm tra giữa môn học để được dự thi. - Thi với hình thức trắc nghiệm, viết và bài tập 11. Thang điểm thi: 10/10 12. Mục tiêu của môn học: Sau khi hoàn tất môn học sinh viên cần nắm vững các phương pháp tạo xung và biến đổi dạng xung. 13. Nội dung chi tiết của chương trình: Nội dung Số tiết Lý thuyết Bài tập Kiểm tra Chương 1: Tín hiệu xung và mạch RLC 6 4 2 Chương 2: Mạch biến đổi dạng xung 6 4 2 1 Chương 3: Mạch dao động đa hài dùng BJT 12 10 2 Chương 4:Các mạch tạo xung khác 4 4 Ôn tập 2 2 Chương 1: TÍN HIỆU XUNG VÀ MẠCH R L C §1.1. Khái niệm và các dạng xung §1.2. Các thông số của tín hiệu xung §1.3. Mạch lọc 1.3.1. Mạch lọc RC 1.3.2. Mạch lọc RL 1.3.3. Mạch lọc LC §1.4. Mạch tích phân §1.5. Mạch vi phân Bài tập Chương 2: MẠCH GIAO HOÁN DIODE, OP-AMP, BJT §2.1. Mạch xén 2.3.1. Mạch xén dương 2.3.1. Mạch xén âm 2.3.2. Mạch xén 2 mức §2.2. Mạch ghim 2.4.1. Mạch ghim đỉnh trên 2.4.2. Mạch ghim đỉnh dưới §2.3. Mạch so sánh dùng Op-amp Bài tập Chương 3: MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI §3.1. Khái niệm chung §3.2. Hai trạng thái của Transistor §3.3. Mạch lưỡng ổn §3.4. Mạch đơn ổn Bài tập §3.5. Mạch phi ổn Bài tập Chương 4: CÁC MẠCH TẠO XUNG KHÁC §4.1. Mạch dao đông đa hài dùng Op_amp §4.2. Mạch dao động đa hài dùng vi mạch định thời IC555 §4.3. Mạch Schmitt Trigger MỤC LỤC Chương 1:Tín hiệu xung và mạch giao hoán RLC. 1.1. Khái niệm. 1 1.2. Các thông số cơ bản của tín hiệu xung. 2 1.3. Các dạng hàm cơ bản. 3 1.4. Mạch RC. 4 1.5. Mạch RL. 16 Chương 2: Mạch biến đổi dạng xung 2.1. Mạch xén. 20 2.2 Mạch ghim (Mạch kẹp). 26 2.3. Mạch so sánh. 28 Chương 3: Mạch dao động đa hài dùng BJT 1.1 Khái niệm chung. 31 1.2 Trạng thái ngắt dẫn của Transistor. 31 3.3. Mạch dao động đa hài lưỡng ổn dùng BJT. 33 3.4. Mạch dao động đa hài đơn ổn. 37 3.5. Mạch dao động đa hài phi ổn. 43 Chương 4:Các mạch dao động khác 4.1. Mạch dao động đa hài dùng Op_amp. 52 4.2. Mạch dao động đa hài dùng vi mạch định thì IC555. 55 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 1 CHƯƠNG 1 TÍN HIỆU XUNG VÀ MẠCH GIAO HOÁN RLC. 1.1. KHÁI NIỆM • Các tín hiệu điện có biên độ thay đổi theo thời gian được chia làm hai loại cơ bản là tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc. ƒ Tín hiệu liên tục (còn được gọi là tín hiệu tuyến tính hay tương tự) là tín hiệu có biên độ biến thiên liên tục theo thời gian. ƒ Tín hiệu rời rạc (còn được gọi là tín hiệu xung hay số) là tín hiệu có biên độ biến thiên không liên tục theo thời gian. • Tín hiệu xung: là tín hiệu rời rạc theo thời gian. • Đặc điểm chung: là thời gian tồn tại xung rất ngắn hay sự biến thiên biên độ từ thấp lên cao hay từ cao xuống thấp xảy ra rất nhanh. • Bản chất vật lý: dòng điện, điện áp, ánh sáng…. • Hình dạng: vuông, tam giác, răng cưa, nh?n, hình thang… T t a. Xung vuông đơn cực T t b. Xung vuông lưỡng cực T t e. Xung nhọn lưỡng cực T t d. Xung tam giác T t c. Xung răng cưa t T f. Xung nấc thang Hình 1.1 Các dạng tín hiệu xung Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 2 1.2. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA TÍN HIỆU XUNG 1.2.1. Xung đơn • Khái niệm: xung đơn là chỉ có một xung riêng biệt. Trong đó: Vm : Biên độxung. ∆V : Độ sụt áp đỉnh xung. tr : Độ rộng sườn trước. tP : Độ rộng đỉnh xung. tf : Độ rộng sườn sau. ton : Độ rộng xung thực tế. ƒ Độ rộng sườn trước, độ rộng sườn sau là thời gian biên độ xung tăng hay giảm trong khoảng 0,1Vm đến 0,9Vm. ƒ Độ rộng đỉnh xung là thời gian xung có biên độ nằm trong khoảng từ 0,9 Vm đến Vm ứng với đoạn đỉnh. ƒ Độ rộng xung thực tế là: ton = tr + tp +tf ƒ Độ sụt áp đỉnh xung ∆V là độ giảm biên độ ở phần đỉnh xung. 1.2.2. Dãy xung • Khái niệm: dãy xung là tín hiệu gồm nhiều xung đơn. Dãy xung có thể tuần hoàn hoặc không tuần hoàn. Trong đó: Vm : Biên độxung. ton : Độ rộng xung. toff : Thời gian không có xung. T : Chu kỳ ƒ Độ rộng của xung là thời gian ứng với điện áp cao gọi là ton (hay tx). ƒ Thời gian không có xung ứng với điện áp thấp gọi là toff (hay thời gian nghỉ tng). ƒ Chu kỳ xung là: T = ton + toff (s) ƒ Xung vuông đối xứng: ton = toff t ∆V v(t) ton tr tp tf Vm 0.9Vm 0.2 Vm Hình 1.2 Xung vuông đơn t Vm v(t) ton T toff Hình 1.3 Dãy xung vuông tuần hoàn Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 3 ƒ Tần số là số xung xuất hiện trong một đơn vị thời gian, được tính theo công thức: T 1f = (Hz) ƒ Độ rỗng của xung là tỉ số giữa chu kỳ T và độ rộng xung ton: ont TQ = ƒ Nghịch đảo của độ rộng Q được gọi là hệ số đầy xung: T ton=η Để phân tích tín hiệu xung cần đưa về các dạng hàm cơ bản: hàm đột biến, hàm tuyến tính, hàm mũ giảm, hàm mũ tăng. 1.3. CÁC DẠNG HÀM CƠ BẢN 1.3.1. Hàm đột biến: v(t) = a.1(t - t0). • Đột biến xảy ra tại thời điểm t = t0 với biên độ là a. • 1(t – t0) : Hàm đột biến đơn vị. • Khi t < t0 : v = 0 Khi t ≥ t0 : v = a 1.3.2. Hàm tuyến tính: v(t) = k(t - t0). • k : Độ dốc của hàm. t0 t a v v(t) Hình 1.4 Hàm đột biến t0 t v Hình 1.5 Hàm tuyến tính. v(t) Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 4 1.3.3. Hàm mũ giảm: τ−−= /)tt(e.a)t(v 0 1.3.4. Hàm mũ tăng: )/)tt(e1(.a)t(v 0 τ−−−= ™ Để phân tích 1 tín hiệu xung, phải đưa về dạng tổng các hàm cơ bản. Ví dụ: Suy ra: v(t) = v1(t) + v2(t) = a.1(t) – a.1(t – t0) 1.4. MẠCH RC 1.4.1. Phản ứng với hàm đột biến điện áp: vi = a.1(t) • t < 0 : vi = 0 , i = 0 vR = 0 , vC = 0 t0 t v Hình 1.6 Hàm mũ tăng. a )/)tt(e1(.a)t(v 0 τ−−−= t t0 a v v(t) t0 a v t - a v1(t) v2(t) ⇔ 0 t a vi v t a to Hình 1.6 Hàm mũ giảm τ−−= /)tt(e.a)t(v 0 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 5 • t = 0 : vi = a Mặt khác: vi = vC + vR Mà vC = 0 (Điện áp trên tụ không đột biến). Do đó: vR = a ⇒ R a R v i R == • t > 0 : Tụ C nạp bằng dòng điện R vv i Ci −= vC tăng dần, ⇒ i giảm dần, vR giảm dần. • t = ∞ : Mạch xác lập. Tụ C nạp đầy với vC = vi = a , vR = 0 , i = 0 τ−= /tR e.av )e1(.av /tC τ−−= τ = RC : Được gọi là thời hằng. τ đặc trưng cho tốc độ diễn ra quá trình quá độ. τ càng lớn, quá trình quá độ càng kéo dài, mạch lâu xác lập. 1.4.2. Phản ứng với xung vuông: ™ Phân tích vi thành tổng các hàm cơ bản, ta có: vi = v1 + v2 Với : v1 = a.1(t) v2 = - a.1(t - tp) τ−−τ− −= /)ptt(/tR e.ae.av )e1(.a)e1(.av /)ptt(/tC τ−−τ− −−−= ™ Quá trình vật lý trong mạch: ƒ t < 0 : vi = 0 , i = 0 , vC = 0 , vR = 0 0 t a vi tp 0 t a v1 tp v2 - a vC(t) vR(t ) a t v Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 6 ƒ 0 ≤ t < tp : vi = a ; tụ C nạp điện bằng dòng R vvi Ci −= . vC tăng dần, ⇒ i giảm dần, vR giảm. ƒ tp ≤ t : vi = 0, tụ C phóng điện qua R, với dòng R vi C−= . Điệp áp vR giảm dần đến 0. t vR(t a a vc(t) a t tp Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 7 1.4.3. Phản ứng với hàm tuyến tính: vi = kt Bằng cách lý luận tương tự, ta có: )e1(.kv /tR τ−−τ= )e1(.kktvvv /tRiC τ−−τ−=−= 9 Mạch RC lấy tín hiệu ra trên tải C thì được gọi là mạch thông thấp(hạ thông ). Nếu mạch hạ thông có thời hằng rất lớn thì được gọi là mạch tích phân (Mạch lọc thông thấp). 9 Mạch RC lấy tín hiệu ra trên tải R thì được gọi là mạch thông cao(thượng thông ). Nếu mạch thượng thông có thời hằng rất nhỏ thì được gọi là mạch vi phân (Mạch lọc thông cao). 1.4.4. Mạch thông thấp RC t τ vi kτ vi = kt t τ vi kτ v R vC v C R i v R + Vo - v C Vi Hình 1.8a Mạch thông thấp RC fc Vo Hình 1.8b Đáp ứng tần số f Vi 2 Vi 0 BW Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 8 • Tín hiệu ra lấy trên C. • Mạch thông thấp cho các tín hiệu có tần số nhỏ hơn tần số cắt qua hoàn toàn, tín hiệu có tần số cao bị suy giảm biên độ. Tín hiệu ra trễ pha so với tín hiệu vào. • Tần số cắt RC fC π2 1= Tại tần cắt điện áp ra có biên độ 20 ViV = a. Mạch tích phân RC : ĐN: Mạch tích phân là mạch mà điện áp ra V0(t) tỉ lệ với tích phân theo thời gian của điện áp vào Vi(t)ø : ∫= dttViKtV )()(0 Trong đó K là hệ số tỉ lệ. Mạch tích phân RC chính là mạch lọc thông thấp RC khi tín hiệu vào có tần số fi rất lớn so với tần số cắt fc của mạch. • Thiết lập công thức: Từ hình 1.8a ta có: Vi (t)= VR(t) + VC (t) (1) Từ điều kiện tần số fi rất lớn so với tần số cắt fc ta có: fi >> RC fC π= 2 1 ⇒ R >> Cf X i C π= 2 1 ⇒ VR(t) >> Vc(t) (2) (vì dòng i(t) qua R và C bằng nhau) Từ (1) và (2) ta có:Vi (t) ≈ VR(t) = R. i(t) ⇒ R tViti )()( = (3) Điện áp ra V0 (t): V0 (t) = ∫= dttiCtVC )(1)( ⇒ V0(t) = ∫ dtRtViC )(1 ⇒ V0(t) = ∫ dttViRC )(1 Như vậy, điện áp ra V0(t) tỉ lệ với tích phân theo thời gian của điện áp vào Vi(t) với hệ số tỉ lệ K là RC K 1= khi tần số fi rất lớn so với fC . • Điều kiện mạch tích phân: fi >> fC ⇔ fi >> RCπ2 1 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 9 RC >> ifπ2 1 ⇔ τ>> ifπ2 1 = π2 iT Trong đó: τ= R.C là hằng số thời gian. Ti là chu kỳ của tín hiệu vào. VD: Trường hợp điện áp vàoVi(t) là tín hiệu hình sin qua mạch tích phân: Vi(t) = Vm.sinω(t) Đ iện áp ra: V0(t)= ∫ ωω−=ω tRCVtdtSinVRC mm cos1 V0(t) = )90sin( 0−tRC Vm ωω Như vậy, nếu thỏa mãn điều kiện của mạch tích phân như trên thì điện áp ra bị trễ pha 900 và biên độ bị giảm xuống với hệ số tỉ lệ là RCω 1 . b. Điện áp vào là tín hiệu xung vuông : Khi điện áp vào là tín hiệu xung vuông có chu kỳ Ti thì có thể xét tỉ lệ hằng số thời gian τ =RC so với Ti để giải thích các dạng sóng ra theo hiện tượng nạp xả của tụ. Giả sử điện áp ngõ vào là tín hiệu xung vuông đối xứng có chu kỳ Ti (hình 1.9a). • Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian τ=RC rất nhỏ so với Ti thì tụ nạp và xả rất nhanh nên điện áp ngõ ra V0(t) có dạng giống như dạng điện áp vào Vi(t) (hình 1.9b). • Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian τ= 5 iT thì tụ nạp và xả điện áp theo dạng hàm số mũ, biên độ đỉnh của điện áp ra nhỏ hơn Vp ( hình 1.9c) • Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian τ rất lớn so với Ti thì tụ C nạp rất chậm nên điẹân áp ra có biên độ rất thấp (hình 1.9d) nhưng đường tăng giảm điện áp gần như đường thẳng. Như vậy, mạch tích phân chọn trịsố RC thích hợp thì có thể sửa dạng xung vuông ở ngõ vào thành dạng sóng tam giác ở ngõ ra. Nếu xung vuông đối xứng thì xung tam giác ra là tam giác cân. Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 10 Trường hợp ngõ vào là một chuỗi xung vuông không đối xứng với ton> toff qua mạch tích phân. Trong thời gian ton ở ngõ vào có điện áp cao nên tụ C nạp điện. Trong thời gian toff ngõ vào có điện áp 0V nên tụ xả điện nhưng do thời gian toff nhỏø hơn ton nên tụ chưa xả điện hết thì lại nạp điện tiếp làm cho điện áp của tụ tăng dần (hình 1.10). Như vậy, tín hiệu ra có dạng xung nấc thang Ti Vi(t) t a) Dạng sóng ngõ vào. V Vo(t) t b) Dạng sóng ngõ ra khi τ <<Ti V Vo(t) t c) Dạng sóng ngõ ra khi τ = 5 iT V Vo(t) t d) Dạng sóng ngõ ra khi τ >>Ti V Hình 1.9: Dạng sóng vào và ra Vi(t) t VM to to Hình 1.10 : Chuỗi xung vuông vào Vo(t) t VM Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 11 1.4.5. Mạch thông cao RC • Tín hiệu ra lấy trên R. • Mạch thông cao cho các tín hiệu có tần số cao hơn tần số cắt qua hoàn toàn, tín hiệu có tần số thấp bị suy giảm biên độ. Tín hiệu ra sớm pha so với tín hiệu vào. • Tần số cắt RC fC π2 1= Tại tần cắt điện áp ra có biên độ 20 ViV = a. Mạch vi phân RC : ĐN: Mạch vi phân là mạch có điện áp ngõ raV0(t) tỉ lệ với đạo hàm theo thời gian của điện vào Vi(t). Ta có: V0(t) = )(tVidt dK Trong đó K là hệ số tỉ lệ. Mạch vi phân RC chính là mạch lọc thông cao RC khi tín hiệu vào có tần số fi rất thấp so với tần số cắt fc của mạch. Trong kỹ thuật xung, mạch vi phân có tác dụng thu hẹp độ rộng xung tạo ra các xung nhọn để kích các linh kiện điều khiển hay linh kiện công suất khác như SCR, Triac… • Thiết lập công thức: Từ hình 1.11a ta có: Vi (t)= VR(t) + VC (t) (1) Từ điều kiện tần số fi rất thấp so với tần số cắt fc ta có: fi << RC fC π= 2 1 ⇒ R << Cf X i C π= 2 1 ⇒ VR(t) << Vc(t) (2) (vì dòng i(t) qua R và C bằng nhau) Từ (1) và (2) ta có:Vi (t) ≈ VC(t) Đối với tụ C, điện áp trên tụ còn được tính theo công thức: C tqtVC )()( = ï Trong đó q(t) làđiện tích nạp vào tụ. Từ đó ta có : fc Vo Hình 1.11b Đáp ứng tần số f Vi 2 Vi 0 BW R C i vC + Vo - v R Vi Hình 1.11a Mạch thông cao RC Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 12 )(1)(1)()( ti Cdt tdq Cdt tdV dt tdV Ci === Hay là:i(t) = dt tdV C i )( (3) Điện áp ra V0 (t): V0(t) = VR(t) = R.i(t) ⇒ V0(t) = R dt tdV C i )( Như vậy, điện áp ra V0(t) tỉ lệ với vi phân ( đạo hàm) theo thời gian của điện áp vào với hệ số tỉ lệ K là K = RC khi tần số fi rất thấp so với fC. • Điều kiện mạch vi phân: fi << fC ⇔ fi << RCπ2 1 RC << ifπ2 1 ⇔ τ << ifπ2 1 = π2 iT Trong đó: τ= R.C là hằng số thời gian. Ti là chu kỳ của tín hiệu vào. VD: Trường hợp điện áp vàoVi(t) là tín hiệu hình sin qua mạch vi phân: Vi(t) = Vm.sinω(t) Điện áp ra là: V0(t) = dt dCR. ( Vm.sinωt ) = ωR.C.Vmcosωt = ωR.C.Vm.sin(ωt + 900) Như vậy, nếu thỏa mãn điều kiện của mạch vi phân như trên thì điện áp ra bị sớm pha 900 và biên độ nhân với hệ số tỉ lệ làωRC. b. Điện áp vào là tín hiệu xung vuông: Khi điện áp vào là tín hiệu xung vuông có chu kỳ Ti thì có thể xét tỉ lệ hằng số thời gian τ =RC so với Ti để giải thích các dạng sóng ra theo hiện tượng nạp xảcủa tụ. Giả sử điện áp ngõ vào là tín hiệu xung vuông đối xứng có chu kỳ Ti(hình1.12a). • Nếu mạch vi phân có hằng số thời gian τ = 5 iT thì tụ nạp và xả điện tạo dòng i(t) qua điện trở R tạo ra điện áp giảm theo hàm số mũ. Khi điện áp ngõ vào bằng 0V thì đầu dương của tụ nối mass và tụ sẽ xả điện áp âm trên điện trở R. Ở ngõ ra sẽ có hai xung ngược nhau có biên độ giảm dần (1.12b) • Nếu mạch vi phân có hằng số thời gian τ rất nhỏ so với Ti thì tụ sẽ nạp xả điện rất nhanh nên cho ra hai xung ngược dấu nhưng có độ rộng xung rất hẹp được gọi là xung nhọn. Như vậy, nếu thỏa điều kiện của mạch vi phân thì mạch RC sẽ đổi tín hiệu từ xung vuông đơn cực ra 2 xung nhọn lưỡng cực. Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 13 Ví dụ 1: Cho mạch như hình vẽ: vi = 5.1(t) R = 1KΩ C = 470 pF Hãy xác định và vẽ đồ thị vC(t), vR(t) cho các trường hợp sau: a. E = 0, R1 = ∞ b. E = 1V, R1 = ∞ c. E = 1V, R1 = 2KΩ Bài giải C R1 R vi E + - Vi(t) t Ti Vo(t) t Vo(t) t a) Dạng sóng ngõ vào. b) Dạng sóng ngõ ra khi τ = 5 iT . c) Dạng sóng ngõ ra khi τ << Ti. Hình 1.12: Dạng sóng vào và ra của mạch vi phân nhận xung vuông. Vm Vm Vm Vm -Vm Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 14 a. E = 0, R1 = ∞ Mạch tương đương: vi = 5.1(t) vR = 5. τ− /te vC = 5. )e1( /t τ−− Với τ = RC = 470.10-12.1.103 = 470.10-9 = 0,47 (µs) = 1V, R1 = ∞ b. E Mạch tương đương: 9 Xét tác dụng của nguồn E: iE = 0 0R.iv E E R == 0R.ivER == 9 Xét tác dụng của nguồn vi: 0R.ivER == )e1.(5v /tiC τ−−= τ = RC = 0.47 µs 9 Cộng tác dụng của 2 nguồn, suy ra: τ−= /tR e.5v 1)e1.(5v /tC −−= τ− t v )t(vR 5 )t(vi )t(vC C Rvi C R vi E + - Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 15 = 2KΩ c. E = 1V, R1 Mạch tương đương: 9 Xét tác dụng của nguồn E: Ta có: 1RR Ei +−= )V( 3 1 1RR RER.ivER −=+−== )V( 3 2R.ivv 1 E 1R E C −==−= 9 Xét tác dụng của nguồn vi : )K()R//R(Rtñ Ω== 3 21 τ−== /tRtñiR e.vv 5 )e.(v /tiC τ−−= 15 τ = Rtđ.C = 0,313 µs 9 Cộng tác dụng của 2 nguồn: t v )t(vR 5 4 )t(vi)t(vC -1 C R1 R vi E + - C R1 R E + - i Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 16 3 1e.5v /tR −= τ− 3 2)e1.(5v /tC −−= τ− 1.5. Mạch RL: 1.5.1. Phản ứng với hàm đột biến điện áp: vi = a.1(t) • t < 0 : vi = 0 Suy ra: vR = 0, vL = 0 • t = 0 : vi = a Suy ra: i = 0 ( dòng qua cuộn dây không đột biến ). vR = 0 vL = vi – vR = a • t > 0 : Dòng qua cuộn dây tăng dần, vR tăng, vL giảm. • t = ∞ : Mạch xác lập. vL = 0 vR = a )e(.av /tR τ−−= 1 τ−= /tL e.av Với τ = L/R được gọi là thời hằng. t v )t(vR 5-1/3 5=)t(vi)t(vC 5-2/3 -1/3 -2/3 L Rvi vR(t) vL(t ) a t v Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 17 1.5.2. Phản ứng với hàm tuyến tính: vi = kt Tương tự ta có được: )e(.kv /tL τ−−τ= 1 )e(.kktv /tR τ−−τ−= 1 Với τ = L/R. 9 Mạch RL lấy tín hiệu ra trên tải R thì được gọi là mạch hạ thông (thông thấp). 9 Mạch RL lấy tín hiệu ra trên tải L thì được gọi là mạch thượng thông (thông cao). ™ Nhận xét: • Phản ứng của mạch RL thông cao giống phản ứng của mạch RC thông cao. • Phản ứng của mạch RL thông thấp giống phản ứng của mạch RC thông thấp. t τ vi kτ v L vR v Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 18 BÀI TẬP CHƯƠNG I Bài 1: Cho mạch như hình vẽ: R = 1KΩ C = 470 pF Hãy xác định và vẽ đồ thị vi (t), vC(t), vR(t) cho các trường hợp sau: a. vi(t) = 5.1(t) – 5.1(t – t0) ; t0 = 10 µs ; R1 = ∞ ; E = 0 b. vi(t) = 5.1(t) – 5.1(t – t0) ; t0 = 10 µs ; R1 = 5,6KΩ ; E = 2V c. vi(t) = 5.1(t) – 7.1(t – t0) ; t0 = 10 µs ; R1 = 5,6KΩ ; E = 2V Bài 2: Cho vi như hình vẽ: a. Phân tích vi(t) thành dạng tổng các hàm cơ bản. b. Khi đặt vi ở ngõ vào của mạch RC thượng thông, hãy xác định và vẽ vOUT khi 10 RCT = . Bài 3: Xác định và vẽ vR , vC của mạch RC khi vi là chuỗi xung vuông có tần số là T = 2t0 trong các trường hợp: a. τ >> t0. b. τ << t0. C R1 R vi E + - vi t a -a T T a t vi to Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 19 Bài 4: a. Tín hiệu vi như hình vẽ được đưa vào mạch hạ thông RC. Hãy xác định và vẽ dạng tín hiệu ngõ ra. b. Cho T1 = T2 = RC, Hãy xác định giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tín hiệu ngõ ra; Vẽ dạng tín hiệu này. Bài 5: Cho mạch như hình vẽ: Khi t < 0 : K ở vị trí số 2. t = 0 : K sang vị trí số 1. t = 30 µs : K trở lại vị trí số 2. Hãy xác định và vẽ iL , vL trong các trường hợp sau: a. E = 10 V R1 = 1K R2 = 1K L = 1mH b. E = 10 V R1 = 10K R2 = 10K L = 10mH R1 1 K LR2 2 E + - T1 T2 V Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 20 CHƯƠNG 2 MẠCH BIẾN ĐỔI DẠNG XUNG 2.1. MẠCH XÉN Chức năng: Giới hạn biên độ tín hiệu. Phân loại theo chức năng có 3 loại: - Mạch xén trên (xén dương). - Mạch xén dưới (xén âm). - Mạch xén hai mức(xén dương và xén âm) Phân loại theo cấu trúc có 2 loại: - Mạch xén nối tiếp: phần tử xén mắc nối tiếp với tải - Mạch xén song song: phần tử xén mắc song song với tải 2.1.1. Mạch xén dùng Diode Đn: là một dạng mạch sửa dạng sóng rất phổ biến trong thực tế. Giả sử các diode lý tưởng: Vγ = 0 : điện áp bắt đầu dẫn Is = 0 : dòng rỉ khi phân cực nghịch rf = 0 : điện trở thuận rs = ∞ : điện trở nghịch a. Mạch xén trên : Xén phần tín hiệu lớn hơn giá trị VN. D Vi - R - + + Vo - R Vi D - Vn Vo + + Vn Vi > VN : D dẫn ⇒ V0 = VN Vi ≤ VN : D tắt ⇒ V0 = Vi Vi ≥ VN : D tắt ⇒ V0 = VN Vi < VN : D dẫn ⇒ V0 = Vi ™ Đặc tuyến hàm truyền đạt: Biểu diễn sự phụ thuộc giữa tín hiệu ngõ vào và tín hiệu ngõ ra. Hình 2.1a. Mạch xén song song Hình 2.1b. Mạch xén nối tiếp VN vi vo VN Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 21 ™ Dạng tín hiệu ra khi tín hiệu vào là tín hiệu sin: b. Mạch xén dưới : Xén phần tín hiệu nhỏ hơn giá trị VN. + - + Vn - Vn Vo Vi + D D Vi R Vo R - + - Hình 2.2a. Xén dưới song song Hình 2.2 b.Xén dưới nối tiếp • Vi ≥ VN : D tắt ⇒ V0 = Vi • Vi < VN : D dẫn ⇒ V0 = VN • Vi > VN : D dẫn ⇒ V0 = Vi • Vi ≤VN : D tắt ⇒ V0 = VN ™ Đặc tuyến hàm truyền đạt: Biểu diễn sự phụ thuộc giữa tín hiệu ngõ vào và tín hiệu ngõ ra. VN t v vo vi VN vi vo VN Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 22 ™ Dạng tín hiệu ra khi tín hiệu vào là tín hiệu sin: c. Mạch xén 2 mức: Kết hợp mạch xén trên và xén dưới. ƒ Xén 2 mức nối tiếp. ƒ Xén 2 mức song song. ƒ Xén 2 mức nối tiếp và song song. • Vi < VN1 < VN2 : D1 dẫn, D2 tắt ⇒ V0 = VN1 • VN1 < Vi < VN2 : D1 tắt, D2 tắt ⇒ V0 = Vi • Vi >VN2 >VN1 : D1 tắt, D2 dẫn ⇒ V0 = VN2 ™ Đặc tuyến hàm truyền đạt: t v VN vi vo vo vi VN1 D1 R D2 VN2 VN1 < VN2 Hình 2.3. Mạch song song VN1 vi vo VN1 VN2 VN2 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 23 ™ Dạng tín hiệu ngõ ra khi tín hiệu ngõ vào có dạng hình sin: Ví dụ: Cho mạch xén như hình vẽ. R1 = 100KΩ V1 = 25V R2 = 200KΩ V2 = 100V Các diode D1 và D2 là diode lý tưởng. Điện áp ngõ vào vi biến thiên từ 0V đến 150V. Hãy xác định và vẽ hàm truyền đạt. Giải: • vi = 0 : D1 off, D2 on Suy ra: vo = VA 12 12 RR VVi + −= VA = V1 + VR1 = V1 + i.R1 = V1 + 1 12 12 R. RR VV + − = 25 + 100. 200100 25100 + − = 50 (V). • V2 > vi > VA : D1 on , D2 on vo = VA = vi • vi ≥ V2 : D1 on Suy ra VA = vi , do đó D2 off v VN2 t VN1 Vi Vo D1 D2 R1 R2vi vo V1 V2 A Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 24 Dòng iR2 = 0 ⇒ vo = V2 =100 (V). • Đặc tuyến hàm truyền đạt: 2.1.2. Mạch xén 2 mức dùng diode zenner: Để giới hạn biên độ xung người ta còn dùng diode zener thay cho diode D và nguồn chuẩn VR. Điện áp VZ do hiệu ứng zener sẽ là điện áp giới hạn biên độ xung. Giả sử các diode zenner lý tưởng: Vγ = 0 : điện áp bắt đầu dẫn Is = 0 : dòng rỉ khi phân cực nghịch rf = 0 : điện trở thuận Vz : điện áp ổn định củ Z khi phân cực nghịch a. Giới hạn xung dương • Vi < 0 : Z phân cực thuận, Z dẫn giống Diode ⇒ V0 = 0 • Vi ≥ 0 : Z phân cực nghịch + Vi < VZ : Z tắt ⇒ V0 = Vi + Vi > VZ : Z dẫn ổn áp ⇒ V0 = VZ b. Giới hạn xung âm 50 vi vo 50 100 100 D1 off D2 on D1 on D2 on D1 on D2 off Z R VoVi Hình 2.4. Mạch giới hạn xung dương + VZ - Hình 2.5. Mạch giới hạn xung âm Z R VoVi - VZ + Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 25 • Vi < 0 : Z phân cực nghịch + Vi > - VZ : Z tắt ⇒ V0 = Vi + Vi <- VZ : Z dẫn ổn áp ⇒ V0 = - VZ • Vi > 0 : Z phân cực thuận, Z dẫn giống Diode ⇒ V0 = 0 c. Giới hạn xung âm dương • Vi <-VZ1 < 0 : Z1 phân cực nghịch, Z1 dẫn ổn áp Z2 phân cực thuận, Z2 dẫn bình thường ⇒ V0 = - VZ1 • -VZ1 < Vi < 0 : Z1 phân cực nghịch, Z1 tắt ⇒ V0 = Vi • VZ2 > Vi >0 : Z1 phân cực thuận, Z1 dẫn bình thường Z2 phân cực nghịch, Z2 tắt ⇒ V0 = Vi • Vi >VZ2 >0 : Z1 phân cực thuận, Z1 dẫn bình thường Z2 phân cực nghịch, Z2 dẫn ổn áp ⇒ V0 = VZ2 ™ Đặc tuyến hàm truyền đạt: Hình 2.5. Mạch giới hạn xung âm dương Z1 R Z2 VoVi VZ1 – + VZ2 + - VZ2 VZ2 -VZ1 -VZ1 vo vi Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 26 2.2 MẠCH GHIM (MẠCH KẸP) ĐN: Mạch ghim là mạch cố định đỉnh trên hay đỉnh dưới của tín hiệu ở một giá trị điện áp nhất định. Mach ghim không làm thay đổi biên độ đỉnh đỉnh của tín hiệu . Có hai loại mạch ghim đỉnh trên và mạch ghim đỉnh dưới. 2.2.1.Mạch ghim đỉnh trên ở 0 V VD: • t = (0÷1): Vi =Vm , D dẫn ⇒ Vo = 0 Đồng thời tụ C nạp nhanh Vc = Vm • t = (1÷2): Vi =-Vm , D tắt ⇒ tụ C không xả được ⇒ Vc = Vm = const ⇒ điện áp ra: Vo = Vi - VC = -Vm –Vm =- 2Vm • t = (2÷3): Vi tăng biên độ, Vi =1,5Vm , D dẫn ⇒ Vo = 0 (Mạch vẫn còn khả năng ghim áp khi Vi tăng) Đồng thời tụ C nạp tiếp Vc = 1,5Vm Vi t Vm 1,5Vm Vm -Vm -1,5Vm 0 1 2 3 4 5 Vo t Vm -2,5Vm -0,5Vm -2Vm -3Vm 0 1 2 3 4 5 C Vi R >> - + D Vo + - Hình 2.6. Mạch ghim đỉnh trên ở 0V Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 27 • t = (3÷4): Vi =-1,5 Vm , D tắt ⇒ tụ C không xả được ⇒ Vc = 1,5Vm = const ⇒ điện áp ra: Vo = Vi - VC = -1,5Vm –1,5Vm =- 3Vm • t = (4÷5): Vi giảm biên độ, Vi =Vm , D tắt ⇒ tụ C không xả được ⇒ Vc = 1,5Vm = const ⇒ điện áp ra: Vo = Vi - VC = Vm –1,5Vm =-0,5Vm (Mạch mất khả năng ghim áp khi Vi giảm) . * Như vậy mạch sẽ mất khả năng ghim đỉnh trên ở mức 0V khi biên độ điện áp giảm. Để khắc phục tình trạng này ta mắc điện trở R rất lớn song song với Diode, tụ C sẽ xả bớt điện tích qua R sau một vài chu kỳ mạch sẽ hồi phục lại khả năng ghim * Chú ý : Khi phân tích mạch ghim ta bắt đầu tại bán kỳ mà tụ C nạp điện. 2.2.2. Mạch ghim đỉnh trên ở VN Vn - C Vo R >> + D - Vi + Hình 2.5. Mạch ghim đỉnh trên ở Vn 2.2.3. Mạch ghim đỉnh dưới ở VN + R >> Vi - D Vo + - C Vn Hình 2.5. Mạch ghim đỉnh dưới ở Vn Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 28 2.3. MẠCH SO SÁNH: • Nguyên lý: vi < VN : vo = -Vcc. vi > VN : vo = Vcc. Mạch so sánh dùng khuyếch đại thuật toán (op_amp): Khuyếch đại thuật toán ở chế độ xung tồn tại chủ yếu ở trạng thái bão hòa. V+ > V- : Vo = +Vc c : bão hòa dương. V+ < V- : Vo = -Vc c : bão hòa âm. 2.3.1. Mạch so sánh không đảo Điện áp Vi vào ngõ không đảo V+ VR vào ngõ đảo V- vi So sánh VN + vo - -Vcc VO V- V+ + +Vcc -Vcc oVV i VN + +Vcc Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 29 ™ Đặc tuyến hàm truyền đạt: • Vi < VN (hayV+< V- ) thì V0 = -VCC • Vi > VN (hayV+ > V- ) thì V0 = +VCC. 2.3.2. Mạch so sánh không đảo Điện áp Vi vào ngõ đảo V- VR vào ngõ không đảo V+ ™ Đặc tuyến hàm truyền đạt: • VI V- ) thì V0 = +VCC • Vi > VN (hayV+< V- ) thì V0 = -VCC * Chú ý: Nếu op-amp được cung cấp nguồn đơn thì khi bão hoà âm Vo = 0 -Vcc oVV i VN + +Vcc +VC C - VCC Vi VN V0 +VCC -VCC Vi VN V0 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 30 Ví dụ: v+ = vi v- = 0 Khi vi > 0 ⇒ V+ > V- ⇒ vo = +Vcc. Khi vi < 0 ⇒ V+< V- ⇒ vo = -Vcc. t -Vcc +Vcc vo vi v -Vcc oVV i + +Vcc Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 31 CHƯƠNG 3 MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI DÙNG BJT 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG Các mạch tạo xung cơ bản nhất là các mạch tạo xung vuông được gọi chung là mạch dao động đa hài. Có ba loại mạch dao độâng đa hài là: - Dao động đa hài lưỡng ổn (bistable – multivibrator) ( còn gọi là mạchFlip-Flop, mạch lật hay bấp bênh): mạch có hai trạng thái và hai trạng thái đều ổn định. - Dao động đa hài đơn ổn ( Monostable Multivibraor) (còn gọi là mạch định thì): mạch có hai trạng thái, trong đó một trạng thái ổn định và một trạng thái không ổn định gọi là trạng thái tạo xung - Dao động đa hài phi ổn (astable Multivibrator): mạch có hai trạng thái và cả hai trạng thái đều không ổn định còn gọi là mạch tự dao động. Mạch dao động đa hài dùng BJT dựa vào sự nạp điện và sự xả điện của tụ điện kết hợp với đặc tính chuyển mạch của Transistor. Ngoài ra mạch dao động đa hài được tạo ra từ các linh kiện như op-amp, IC555, các cổng logic, …. 1.2 TRẠNG THÁI NGẮT (TẮT) DẪN CỦA TRANSISTOR. Transistor có 3 trạng thái: - Trạng thái ngắt (tắt) - Trạng thái dẫn khuếch đại - Trạng thái dẫn bão hòa Trong kỹ thuật xung transistor dùng để tạo xung vuông nên chỉ hoạt động ở hai trạng thái tắt và bão hoà. Lúc này transistor làm việc như một khóa điện tử để đóng và ngắt mạch điện. Trạng thái đóng hay ngắt của mạch transistor tùy thuộc vào mức điện áp phân cực cho cực B của nó 1.2.1. Trạng thái ngắt (tắt) Trong hình 3.1 transistor có điện áp Vi = 0V ⇒ VB =0V, transistor không được phân cực nên ngưng dẫn. ⇒ IB = 0 và IC =0. Điện áp ngõ ra ở cực C của transistor là: V0 = VC =VCC – IC.RC ⇒ V0 = VCC Như vậy ngõ vào Vi có mức thấp, ngõ ra V0 có mức cao. 1.2.2. Trạng thái dẫn bão hòa Để transistor chuyển từ trạng thái ngắt như hình 3.1 sang trạng thái bão hòa thì ngõ vào phải được cấp một +VCC VO Vi =0v RC RB Hình 3.1: Transistor ngắt IC IB IE +VCC V Vi RC RB Hình 3.2: Transistor bão hòa IC IB IE O Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 32 điện áp Vi đủ lớn sao cho VB lớn hơn một mức ngưỡng để transistor được phân cực bão hòa. Điện áp này được gọi là VBEsat có trị số tùy thuộc chất bán dẫn chế tạo transistor. Ta có VBEsat = 0,7 V÷ 0,8 V (Transistor chất silicium) VBEsat = 0,3 V (Transistor chất Germanium) Trong mạch điện hình 3.2, điện trở RC được coi là điện trở tải để xác định dòng điện IC qua transistor. Khi transistor chạy ở trạng thái bão hòa thì điện cực C có điện áp ra: V0 = VC = VCEsat ≈ 0,1V÷ 0,2V Như vậy ngõ vào Vi có mức thấp, ngõ ra V0 có mức cao. Dòng điện IC được tính theo công thức: C CEsatCC C R VV I −= Khi có dòng điện tải IC phải tính dòng điện cần thiết cung cấp cho cực B để chọn trị số điện trở RB thích hợp. Thông thường ta có: β CI BI = (β : độ khuếch đại dòng điện) Trường hợp cần cho transistor chạy bão hòa vững (bão hòa sâu) thì chọn β CI BI ≥ (điều kiện bão hòa) hay β CIk.BI = với k là hệ số bão hòa sâu (k ≈ 2 ÷5) Điện trở RB dược chọn theo công thức: BI BEsatViV BR −= Ví dụ: Mạch điện hình 3.2 có các thông số sau : + VCC =12V, RC =1,2kO , transistor chất Si và có β =100, điện áp vào Vi =1.5V. Tìm RB để transistor hoạt động ở trạng thái bão hòa. Trước hết phải tính dòng điện tải: C CEsatCC C R VV I −= = mA10 2,1 2,012 K VV ≈− Chọn hệ số bão hòa sâu K=3 ta có: β= C B I I = mA3,0 100 mA10.3 = Điện trở RB được chọn có giá trị B BEsati B I VV R −= = K VV 33,2 mA3,0 8,05,1 =− Chọn điện trở theo tiêu chuẩn làRB = 2,4K Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 33 3.3. MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI LƯỠNG ỔN DÙNG BJT. 3.3.1 Mạch đảo. Một Transistor có thể làm chức năng của mạch đảo như hình 5.1. - Khi Vi ở mức điện áp cao thì Transistor chạy bão hòa và dòng Ic qua Rc tạo sụt áp ⇒ Vo≈ 0,2v (VCESat) ứng với mức điện áp thấp . - Khi Vi ở mức điện áp thấp thì Transistor bị phân cực ngược ở ngõ vào nên ngưng dẫn, dòng Ic =0 nên không giảm áp qua RC ⇒ V0 ≈VCC ứng với mức điện áp cao ra. Như vậy, điện áp ra Vo và điện áp vào Vi ngược pha nhau 3.3.2. Mạch lưỡng ổn (flip-flop) cơ bản. Mạch dao động đa hài lưỡng ổn được tạo ra bằng cách ghép hai mạch đảo sao cho điện áp ra của mạch đảo này là ngõ vào của mạch đảo kia. a. Sơ đồ Mạch lưỡng ổn được Trong sơ đồ dùng 2 nguồn +VCC để cấp dòng IB và IC cho Transistor dẫn bão hòa và nguồn -VBB để phân cực ngược cho cực B của Transistor ngưng dẫn. b. Nguyên lý hoạt động. Mạch có 2 trạng thái, trong mỗi trạng thái một trasistor tắt và một transistor bão hoà. Giả thiết có mạch Flip-Flop đối xứng (T1 và T2 cùng tên, các điện trở phân cực cho hai Transistor cùng trị số) nhưng hai transistor không thể cân bằng một cách tuyệt đối nên sẽ có một Transistor dẫn mạnh hơn và một Transistor dẫn yếu hơn. Giả thiết Transistor T1 dẫn mạnh hơn T2 nên dòng điện IC1 lớn hơn qua RC1 làm điện áp VC1 giảm. Điện áp VC1 qua điện trở R2 phân cực cho T2 sẽ làm VB2 giảm và điều này làm cho T2 chạy yếu hơn. Khi T2 chạy yếu thì dòng điện IC2 nhỏ hơn qua TC2 làm điện áp VC2 tăng lên . Điện áp VC2 qua điện trở R1 phân cực cho T1 sẽ làm VB1 tăng làm T1 chạy mạnh mạnh hơn nữa và cuối cùng T1 sẽ tiến đến trạng thái bão hòa T2 tiến đến ngưng dẫn . Nếu không có một tác động nào khác thì mạch điện sẽ ở trạng thái này. Đây là một trạng thái của mạch Flip-Flop. Ngược lại , nếu giả tiết Transistor T2 dẫn nhanh hơn T1 và lý luận tương tự thì cuối cùng sẽ có T2 tiến đến trạng thái bão hòa và T1 tiến đến ngưng dẫn và mạch điện cũng ở mãi trạng thái này nếu không có một tác động nào khác. Đây là trạng thái thứ hai của Flip –Flop. Mạch Flip-Flop sẽ ở một trong hai trạng thái trên nên được gọi là mạch lưỡng ổn. Tuy nhiên, phải chọn các điện trở và nguồn điện thích hợp mới đạt được nguyên lý trên. c. Phân tích mạch: Để thấy rõ hơn nguyên lý của mạch Flip-Flop ta có thể phân tích dòng điện và điện áp trong mạch Flip-Flop tiêu biểu như trong mạch điện hình 3.5 với các trị số điện trở và nguồn cụ thể. Theo giả thiết , khi T1 bão hòa ta có: VC1=VCCSat ≈ 0,2 v -12V +12V 2,2K 2,2K 4K NPN Vi Vo + - Hình 3.3: Transstor làm mạch đảo Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 34 VB1=VBEsat ≈ 0,8V Suy ra dòng điện IC1 và IB1 theo công thức: ICI = CI CEsatCC R VV − ICI = K VV 8,1 2,012 − ≈ 6,5mA mA R VV RR VVI K VV KK VV B BBBEsat C BEsatCC B 41,047 68,0 188,1 8,012 112 1 =+−+ −=+−+ −= Ở trạng thái bão hòa Transistor thường có β nhỏ, chọn β= 50. Ta có thể nghiệm lại điều kiện bão hòa của T1 như sau: Thông thường IB= β CI = mA mA 13,0 50 5,6 = Mạch điện có :IB1 = 0,41mA (IB1>IB) Như vậy: T1 đủ điều kiện để bão hòa vì IB1> β CII Xét T2 lúc đó ở trạng thái ngưng ta có: VC2 = VCC – IC2.RC2 = VCC – (IB1+IR)RC2 VC2 = VCC - 2 12 )( C C BEsatCC R RR VV + − =12V – ( VKKK VV 118,1) 188,1 8,012 ≈+ − VB2 = (VC1+VBB) BB B B V RR R −+ 22 2 = (0,2V+6V) VVKK K 5,16 4718 47 −≈−+ T2 là loại transistor NPN có VB2 = -1,5V (VB2 < 0V) nên T2 phải ngưng dẫn . Nếu ở trạng thái ngược lại thì hai transistor sẽ có dòng điện và điện áp ở các chân cực ngược lại với phân tích trên. Điện áp nguồn âm (–VBB) có tác dụng phân cực cho T2 để T2 ổn địnhở trạng thái ngưng tránh tác động của nhiễu có thể làm cho T2 đổi trạng thái. Trường hợp không cần thiết chống nhiễu thì có thể không dùng nguồn –VBB, lúc đó hai điện trở RB1 – RB2 được nối mass hay có thể không cần dùng cũng được . 3.3.3. Các phương pháp kích đổi trạng thái của flip-flop . Trường hợp T1 đang bão hòa, T2 đang ngưng dẫn như mạch hình 3.6, muốn đổi trạng thái của Flip-Flop thì ta có thể cho một xung âm vào cực B1 (hoăïc là cho một xung dương vào cực B2). Muốn đổi trở lại trạng thái cũ thì phải cho một xung dương vào cực B1( hoăïc là cho một xung âm vào cực B2). Để giản đơn người ta thường dùng một loại xung. Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 35 a. Mạch kích một bên Sơ đồ hình 3.6 là mạch Flip- Flop với mạch kích một bên. Xung kích điều khiển là xung vuông qua mạch vi phân RC để đổi từ xung vuông ra hai xung nhọn (xung nhọn dương ứng với cạnh lên và xung nhọn âm ứng với cạnh xuống). Diod D có tác dụng loại bỏ xung nhọn dương và chỉ đưa xung nhọn âm vào cưc B1 để đổi trạng thái T1 từ bão hòa sang ngưng dẫn. Giả thiết mạch có trạng thái như hình 3.6 là T1 đang bão hòa và T2 đang ngưng dẫn . Khi ngõ vào nhận xung vuông (Vin) qua mạch vi phân RC tạo điện áp VI trên điện trở R là hai xung nhọn. Khi có xung nhọn dương thì diode D bị phân cực ngược nên ngưng dẫn và mạch Flip –Flop vẫn giữ nguyên trạng thái đang có. Khi có xung nhọn âm thì diod D được phân cực thuận coi như nối tắt làm điện áp VB1 giảm xuống dưới 0V. Lúc đó T1 ngưng dẫn nên Ib1= 0, Ic1= 0 nên Vc1 tăng cao sẽ tạo phân cực đủ mạnh 6V +12V 1 8K 1 8K 47K 1 2 47K R 18K 0,2V 0,8V D C + Hình 3.5. Mạch kích một bên. Vin T2T1 bão hòa ngưng + t t Vi VD t VB1 t_ + 0,8v -1,5v +11v 0,2v VC1 Hình 3.6. Dạng sóng ở các chân. Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 36 cho cực B2 vàT2 chạy bão hòa. Khi T2 đã bão hòa thì Vc2 ≈ 0,2 V nên T1 không được phân cực sẽ tiếp tục ngưng dẫn mặc dầu đã hết xung âm. Như vậy, mạch Fl ip-Flop đã chuyển từ trạng thái T1 bão hòa,T2 ngưng sang trạng thái T1 ngưng _T2 bão hòa. Khi mạch đã ổn định ở trạng thái này thì mạch sẽ không bị tác động đổi trạng thái bởi xung kích vào cực B1 nữa. Bây giờ muốn đổi trạng thái của mạch trở lại trạng thái cũ thì phải cho xung vuông tiếp theo qua mạch vi phân và diod D vào cực B2 (vì T2 đang ở trạng thái bão hòa) b. Mạch kích đếm: Đối với mạch kích một bên thì mạch Flip-Flop phải được kích lần lượt, luân phiên vào cực B1 và B2 thông qua hai mạch vi phân và hai Diod. Để đổi trạng thái mạch Flip- Flop bằng một thứ xung kích vào một ngõ chúng ta có thể dùng mạch kích đếm. Mạch điện hình 3.8 là sơ đồ mạch Flip-Flop có ngõ kích đếm nhận xung kích là xung vuông. Theo sơ đồ này, mạch đang ở trạng thái T1 bão hòa, T2 ngưng dẫn. Hai điện trở 10k thêm vào mạch ra hai điểm A vàB và hai điểm này có điện áp gần giống như điện áp của hai cực C1 và C2. Ta có: VA ≈ VC 1= 0,2 V ( T1 đang bão hòa) VB ≈ VC 2 =11V ( T2 đang ngưng dẫn) Khi có xung vuông ở ngõ vào ( Vin ) thì qua hai tụ C1 – C2 sẽ có hai xung nhọn dương ứng với cạnh lên xung của vuông và có 2 xung nhọn âm ứng với cạnh xuống của xung vuông tại điểm A và B. Thời điểm có xung nhọn dương cả hai diode D1 – D2 đều bị phân cực ngược nên không có tác dụng với mạch Flip-Flop. Khi có xung nhọn âm tại hai điểm A và B thì tại hai điểm này sẽ có hai mức biến đổi khác nhau. Do VA ≈ 0,2 V nên khi có xung nhọn âm thì xung âm sẽ làm giảm điện áp VA và diod V1 được phân cực thuận. Điều này sẽ làm đổi trạng thái T1 từ bão hòa sang ngưng dẫn và đổi trạng thái T2 từ ngưng dẫn sang bão hòa. Lúc đó do VB =11V rất cao so với xung âm nên khi có xung nhọn âm thì điện áp VBvẫn ở mức dương cao nên D2 vẫn bị phân cực ngược và xung âm không có tác dụng với T2. Khi có xung vuông thứ hai đến ngõ vào thì lần này xung nhọn âm chỉ có tác dụng đối với T2 là transistor đang bão hòa nên mạch Flip-Flop lại trở về trạng thái cũ. 3.3.4. Các điểm cần lưu ý trong thiết kế . a. Mạch vi phân ở ngõ vào được chọn trị số cao cho thỏa các yêu cầu sau: - Xung âm phải có biên độ đủ cao và độ rộng đủ lớn để đủ kíck đổi trạng thái của transistor đang bão hòa sang ngưng . - Nếu hằng số thời gian τ =RC sẽ làm giới hạn tần số xung kíck ( theo điều kiện của mạch vi phân trong chương. - Nếu hằng số thời gian τ =RC nhỏ hơn sẽ làm giảm độ rộng xung và có thể không đủ đổi trạng thái của transistor b. Khi mạch Flip–Flop làm việc với các tín hiệu xung kíck tần số cao nên chọn loại transistor có kết cấu Epiplanar để có đáp ứng nhanh. +12V -6v 10K 10K 1,8K 18K 47K 1,8K 47K 0,2V 0,8V 18K D C Vin C Hình 3.8:Mạch F-F có ngõ kích đếm. Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 37 c. Để mạch chuyển trạng thái tốt, tốc độ làm việc nhanh nên chọn mức điện áp nguồn thấp điều này còn phụ thuộc vào yêu cầu của tải nếu tải là Rc. d. Trong các mạch đơn giản người ta có thể không cần dùng âm –VBB. Tuy nhiên, khi không có nguồn âm thì tính ngưng dẫn của transistor không tốt vàkhả năng chống nhiễu của mạch kém 3.4. DAO ĐỘNG ĐA HÀI ĐƠN ỔN. 3.4.1. Giới thiệu. Mạch dao động đa hài đơn ổn cũng có hai trạng thái ( T1bão hòa T2 ngưng hay T1 ngưng T2 bão hòa) nhưng trong hai trạng thái đó có một trạng thái ổn định và một trạng thái không ổn định gọi là trạng thái tạo xung. Bình thường khi khi mạch đơn ổn được cấp nguồn sẽ ở trạng thái ổn định và ở mãi trạng thái này nếu không có tác động từ bên ngoài vào. Khi ngõ vào nhận được một xung kích thì mạch đơn ổn sẽ đổi trạng thái tạo xung ở ngõ ra và độ rộng xung ra sẽ tùy thuộc các thông số RC thiế t kế trong mạch. Sau thời gian có xung ra ở mạch đơn ổn sẽ trở về trạng thái ổ định ban đầu . Mạch dao động đa hài đơn ổn còn được gọi là mạch định thì vì thời gian có xung ra có thể định trước nhờ các thông số trong mạch. Mạch đơn ổn rất thông dụng trong lĩnh vực điều khiển tự động trong các thiết bị điện tử và điện tử công ngiệp. Mạch đơn ổn có thể thực hiện bằng nhiều cách: dùng transistor, op-amp vi mạch định thì hay các cổng logic. Phần này chỉ giới thiệu và phân tích mạch đơn ổn dùng transistor, các mạch dạng khác được giới thiệu trong chương sau. 3.4.2. Mạch đơn ổn cơ bản. a. Sơ đồ ở hai trạng thái . b. Nguyên lý. * Trạng thái ổn định của mạch đơn ổn.(hình 3.10). Khi mở điện, tụ C tức thời nạp điện qua điện trở R C2 tạo dòng điện đủ lớn cấp cho cực B1 nên T1 sẽ chạy ở trạng thái bão hòa. Lúc đó, dòng IC1 qua RC1 đủ lớn để tạo -VBB Vi = 0 +VCC RC2 RB2 RC1 RB RB1 C C Hình 3.10. Mạch đa hài đơn ổn -VBBVI = +VCC RC2 RB2 RC1 RB RB1 C C Hình 3.11. Mạch đa hài đơn ổn T1 T2 T1 T2 t Vi 0,8v t VB1 + + - -Vcc Cxả t VC + 0,2v Vcc t VC - 0,2v Vcc a). a). b). c). d). Hình 3.12. Dạng sóng vào và ra của mạch đơn ổn . Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 38 sụt áp và VC1 = VCesat ≈ 0,2V. Cầu phân áp RB2 và RB sẽ tạo ra điện áp phân cực cho T2 ngưng dẫn vì VB2 < 0V. sau khi tụ nạp đầy sẽ có như hình vẽ 5.9. Điện áp nạp trên tụ có giá trị khoảng : VC = VCC – VBesat ≈ VCC. Khi tụ nạp đầy thì dòng nạp bên tụ bằng 0 nhưng tụ T1 vẫn chạy ở trạng thái bão hòa vì vẫn còn dòng IB1 qua RB1 cấp phân cực cho cực B1. Hai Transistor sẽ chạy ổn định ở trạng thái này nếu không có tác động gì từ bên ngoài. * Trạng thái tạo xung của mạch đơn ổn (hình 3.11). Khi ngõ vào Vi nhận xung kích âm qua tụ C1 sẽ làm điện áp VB1 giảm và T1 đang chạy bão hòa chuyển sang trạng thái ngưng dẫn. Lúc đó IC1 = 0 điện áp vào VC1 tăng cao qua cầu phân áp RB2 – RB sẽ phân cực cho T2 chạy bão hòa. Khi T2 chạy bão hòa VC2=VBEsat ≈ 0,2V điều này làm cho tụ C có chân mang điện áp dương coi như nối mass và chân kia có điên áp âm so vớ mass nên điện áp âm này sẽ phân cực ngược cho cực B1 làm T1 tiếp tục ngưng mặc dầu đã hết xung kích. Lúc đó tụ C xả điện qua điện trở RB1 và transistor T2 từ C xuống E. Trong thời gian này T1 ngưng dẫn T2 bão hòa nên điện áp ở các chân C và B của transistor đổi ngược lại chính là xung điện ở ngõ ra. Sau khi tụ xả xong làm mất điện áp âm đặt vào cực B1 vàT1 sẽ hết trạng thái ngưng dẫn và chuyển sang trạng thái bão hòa như lúc ban đầu. Khi T1 trở lại trạng thái bão hòa thì VC1 =VCEsat ≈ 0,2 V nên T2 mất phân cực sẽ ngưng dẫn như lúc ban đầu. Thời gian tạo xung của mạch đơn ổn chính là thời gian xả điện của tụ C qua RB1 Sau thời gian này mạch tự trở lại trạng thái ban đầu là trạng thái ổn định. c. Dạng sóng ở các chân. Hình 3.12 cho thấy dạng sóng ở các chân của mạch đơn ổn Trong đó hình 3.12 a là áp ngõ vào Vi, trước thời điểm có xung kích là trạng thái ổn định. Khi có xung nhọn âm thì mạch đơn ổn bắt đầu chuyển sang trạng thaí tạo xung. Hình 3.12 b là dạng điện áp VB1, khi có xung kích là T1 ngưng, tụ C xả điện áp âm nên VB1 có điện áp âm ≈ -VCC và tụ C xả điện qua RB1 làn điện áp âm giảm dần theo hàm số mũ. Thời gian xả của tụ C chính là thời gian tạo xung ở ngõ ra. Ở trạng thái ổn định VC1 =0,2V (bão hòa), ở trạng thái tạo xung VC1 = VCC (ngưng dẫn) nên T1 có xung vuông dương ra. Ngược lại T2 có xung vuông âm ra, độ rộng xung là Tx. d. Điều kiện và thông số kỹ thuật của mạch đơn ổn. Để cho mạch đơn ổn hoạt động đúng theo nguyên lý phải thỏa mãn điều kiện là T1 bão hòa với : 11 1 C CC C CEsatCC C R V R VV I ≈−= (1) (với VCEsat ≈ o,2V) 11 1 B CC B BEsatCC B R V R VV I ≈−= (2) (với VBEsat ≈ o,2V) Muốn cho T1 bão Hòaphải có: sat C B I I β> 1 1 (3) (sat saturation : bão hòa) Thường chọn: sat C B I KI β= 1 1 . Trong đó : K là hệ số bão hòa sâu và K = 2 ÷ 5 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 39 *. Cách tính độ rộng xung: Trong thời gian ổn định tụ C nạp điện qua RC1 với hằng số thời gian nạp là τnạp = RC1 . C Điện áp nạp trên tụ tăng theo hàm số mũ bởi công thức : VC(t) = VCC (1 )τ −− t e = VCC - VCC. τ − t e Điện áp trên tăng từ 0V lên VCC. Khi có xung âm vào cực B1 thí tụ C xả điệnqua RB1 với hằng số thời gian xả là: τxả = RB1 . C Điện áp trên tụ khi xả giảm theo hàm số mũ bởi công thức: VC(t) = VCC. τ − t e Do chân dương của tụ C coi như nối mass qua chân C2 khi T2 bão hòa nên tụ xả điện âm (–VCC) và điện áp trên tụ tăng từ –VCC lên 0V rồi sau đó nạp tiếp tục từ 0V lên +VCC. Như vậy đường xả điện và nạp điên của tụ sẽ biến thiên như hình 3.13 đựợc giới hạn từ -VCC lên +VCC. Đường biểu diễn điện áp trên tụsẽ được tính theo công thức: VC(t) = VCC - 2VCC. τ − t e Khi VC(t) = 0V là hết thời gian xả của tụ và møạch trở lại trạng thái ổn định thời gian này chính là thời gian tạo xung ở ngõ ra và còn gọi là độ rộng xung tx. Ta có : VCC = 2VCC. τ − Xt e . τ − Xt e 2 1= hay τ− Xt e = 2. Suy ra τ xt = Ln2 ⇒ tx = τ.Ln2. Thay τ = RB1.C và Ln2 = 0,69 . Suy ra: tx = 0,69 RB1.C Muốn thay đổi độ rộng xung tx ta có thể thay đổi RB1 hay trị số của tụ C trong đó RB1 bị giới hạn bởi điều kiện nên thường người ta chỉ thay đổi tụ C. * Biên độ xung ra: Ở trạng thái ổn định T1 bảo hòa T2 ngưng : VC1 = VCEsat ≈ 0,2V ,VC2 ≈ VCC Ơû trạng hái tạo xung T1 ngưng T2 bão hòa. VC1 ≈ VCC. 21 2 BC B RR R + =Vx (do mạch phân áp) VC2 = VCEsat ≈ 0,2V Như vậy biên độ xung vuông dương cho T1 tạo ra là: V01 =Vx – 0,2V ≈ Vx Biên độ xung vuông âm do T2 tạo ra là: -Vcc +Vcc 0V tx Nạp điện Xả điện t Hình 3.13: Đường xả và nạp điện trên tụ C VC t VC t tx tx Hình 3.14: Thời gian hồi phục Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 40 V02 =Vx – 0,2V ≈ VCC * Thời gian hồi phục : Theo sơ đồ mạch đơn ổn cơ bản: trạng thái ổn định là trạng thái T1 bão hòa, ngưng dẫn, trạng thái tạo xung là trạng thái T1 ngưng, T2 bão hòa. Sau khi song thời gian tạo xung tx thì T2 sẽ trở lại trạng thái ngưng dẫn. Trong thực tế mạch chưa trở lại trạng thái ổn định ngay vì lúc đó tụ C lại nạp điện qua RC2 làm VC2 tăng lên theo hàm số mũ chứ không tăng tức thời như hình vuông. Thời gian này được gọi là thời gian hồi phục th Hằng số thời gian nạp của tụ là: τnạp = RC2 . C Tụ nạp đầy trong thời gian 5τ nhưng thường chỉ tính : Th ≈ 4τnạp = 4RC2 .C * Thời gian phân cách: Do có thời gian hồi phục th để mạch đơn ổn trở lại trạng thái ổn định nên nếu tín hiệu xung kích ở ngõ vào là nhũng tín hiệu liên tiếp nhau có tần số xung kích fi chu kỳ xung kích Ti thì chu kỳ Ti phải thỏa điều kiện là: Ti > tx + th Điều kiện này có nghĩa là khoảng cách ngắn nhất giữa hai xung kích phải lớn hơn độ rộng và thời gian hồi phục th thời gian tx = th gọi là thời gian phân cách tf. Ta có: Ti >tf với tf = tx + th 3.4.3. Các mạch đơn ổn cải tiến . a. Mạch đơn ổn dùng 1 nguồn. Trong các mạch đơn giản người ta có thể không dùng nguồn –VBB và điện trở RB được nối mass – lúc đó RB được chọn lại với trị số khác. Trường hợp này mạch có khả năng chống nhiễu kém… Sơ đồ mạch đơn ổn hình 3.15, ngõ vào là mạch vi phân Ri-Ci để đổi xung vuông ra hai xung nhọn và diod D chỉ nhận xung nhọn âm đưa vào cực B1. b. Mạch đơn ổn có xung kích vào cực C2. Ở trạng thái ổn định T1 bảo hòa T2 ngưng, tụ nạp điện có điện áp như hình vẽ (hình 3.16). Khi có xung nhọn âm làm diod D được phân cực thuận thì tụ C có chân nạp +VCC Vi RC2 RB RB1 RB2 Ri RC1 C Ci T2 T1 Hình 3.15: Mạch đơn ổn dùng 1 nguồn +VCC Vi RC2 RB1 RB2 RC1 RB Ri C C Hình 3.16. Mạch đơn ổn có xung kích vào cực C2. Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 41 điện áp dương nối mass nên chân nạp điện áp âm sẽ làm phân cực ngược cực B1 và T1 ngưng dẫn. Lúc đó, VC1 tăng cao làm T2 tăng được phân cực bão hòa và VC2 ≈ 0,2V nên tụ C tiếp tục xả điện qua RB1 và mạch sẽ duy trì trạng thái T1 ngưng, T2 bảo hòa cho đến khi tụ xả xong. Sau thời gian tạo xung tx tì mạch lại trở về trạng thái ổn định. c. Mạch đơn ổn dùng tụ gia tốc . Để chuyển nhanh trạng thái của T2 từ ngưng dẫn sang bão hòa khi có xung kích âm vào cực B1. Ta có thể dùng tụ tốc Cj ghép song song RB2. Khi có xung kích âm vào cực B1, transistor T1 đang bão hòa chuyển sang ngưng làm VC1 tăng ở trạng thái chuyển tiếp tụ Cj coi như nối tắt nên điện áp VC1 phân cực nhanh cho cực B2 làm T2 bão hòa nhanh. Điều này có tác dụng làm xung vuông ra ở cực C2 có cạnh xuống được thẳng đứng, sửa lại độ dốc trước xung ra (hình 3.17). d. Dùng diode cách ly sửa độ dốc sau. Trong phần các thông số của mạch đơn ổn có xét đến thời gian hồi phục th của xung ra trên cực C2 là do tụ c nạp điện qua điện trở R2 làm điện áp VC2 tăng chậm,độ dốc sau của xung dài ra. Để đảm bảo thời gian hồi phục ở ngõ ra, làm độ dốc sau được thẳng đứng người ta dùng thêm diode D và điện trở RD (hình 3.18). Khi T2 ngưng, điện áp VC2 làm phân cực ngược diode D và tụ C chỉ nạp điện qua RD nên điện áp VC2 tăng nhanh. Điều cần lưu ý trong mạch này là khi T2 bão hòa, VC2 giảm nên diod D được phân cực thuận, điện trở ở cực C2 là RC 2 song song RD Thường chọn : RC2 = RD = 2.RC1. e. Dùng diod cách ly bảo vệ mối nối BE1 . Khi mạch vi phân cho ra xung nhọn âm làm phân cực diod Di đưa đến T1 ngưng dẫn, T2 bão hòa. Lúc đó tụ C sẽ xả điện và điện áp đang nạp trên tụ đưa vào cực B1 với trị số khoảng VCC, điện áp này có thể làm hư mối nối BE1 vì điện áp đánh thủng mối nối BE ( BVEBO ) thường có trị số không cao ( khoảng vài volt) Để tránh hiện tượng trên người ta đặt thên 1 diod giữa tụ C và cực B1như hình vẽ. Khi tụ xả điện thì diode D sẽ chịu điện áp ngược thay cho mối nối BE mà điện áp ngược của diod thường cao nên diod không bị hư (hình 3.19). +VCC Vi RC2RC1 1 2 Ri RB1 C C Hình 3.17 Dùng tụ gia tốc Cj . +VCC Vi RB1 RC2RC1 RB2 Ri 1C C D R Hình 3.18. Dùng diode cách ly D Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 42 3.4.4. Bài tập áp dụng . Thiết kế mạch đa hài đơn ổn theo các yêu cầu và thông số kỹ thuật sau: -Nguồn VCC = 12V, transistor có β = 100, dòng tải IC =10mA độ rộng xung tx = 2 giây * Tính điện trở tải RC1 = RC2 : Khi transistor dẫn bão hòa ta có: VCEsat ≈ 0,2V Suy ra: RC1 = RC2 = C CEsatCC I VV − = mA VV 10 2,012 − ≈ 1,2KΩ * Tính điện trở phân cực RB1 = RB2: Để transistor dẫn bão hòa thường chọn hệ số bão hòa sâu là K = 3. Ta có : IB = β CIK = mAmA 3,0 100 10.3 = Điện trở RB dược tính với mức điện áp phân cực bão hòa là VBEsat = 0,8V . RB1 = RB2 = B EsatCC I VV B− = 37 3,0 8,012 =− mA VV KΩ Chọn trị số tiêu chuẩn là: RB = 39KΩ. * Tính trị số tụ C : Theo yêu cầu độ rộng xung là tx =2 giây Ta có : tx = 0,69.RB.C Suy ra : C = F R t B x µ≈= 75 10.39.69,0 2 .69,0 3 Trong mạch này không yêu cầu thiết kế mạch vi phân. Muốn tính trị số R và C của mạch vi phân phải biết tần số hay độ rộng của xung vuông fi. Điều kiện của mạch vi phân là R.C << ifπ2 1 . (Xem lại chương 1) +VCC Vi Ri RB2 RB1RC1 RC2 C C Hình 3.19. Diode bảo vệ mối nối BE1 D +12 39K 39K 12K 12K 75 Hình 3.20. Mạch thiết kế. Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 43 3.5. MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI PHI ỔN. 3.5.1 Giới thiệu . Mạch đa hài lưỡng ổn có hai trạng thái ổn định, muốn đổi trạng thái của mạch từ trạng thái ổn định này sang trạng thái ổn định khác thì phải có xung kích từ bên ngoài. Mạch đa hài đơn ổn có một trạng thái ổn định và một trạng thái không ổn định trạng thái không ổn định chính là trạng thái tạo xung. Bình thường, mạch đơn ổn sẽ ở trạng thái ổn định, muốn tạo xung thì phải có xung kích từ bên ngoài. Mạch đa hài phi ổn khác với hai mạch trên, mạch đơn ổn sẽ tạo ra sóng vuông liên tục mà không cần xung kích bên ngoài. Mạch đa hài phi ổn hoạt động theo đúng nguyên lý của mạch dao động là loại mạch tự phát sinh tín hiệu mà không cần tín hiệu điều khiển ở ngỏ vào. 3.5.2. Mạch đa hài phi ổn cơ bản. a.Sơ đồ Thông thường, mạch đa hài phi ổn là mạch đối xứng nên hai Transistor có cùng tên và các linh kiện điện trở, tụ điện có cùng trị số. b.Nguyên lý hoạt động : Tuy là hai Transistor cùng tên, các linh kiện cùng trị số nhưng không thể giống nhau một cách tuyệt đối. Điều này sẽ làm cho hai Transistor mạch dẫn điện không bằng nhau, khi mở điện sẽ có một Transisitor dẫn điện mạnh hơn và một Transisitor dẫn điện yếu hơn. Nhờ tác dụng của mạch hồi tiếp dương từ cực C2 về cực B1 và từ cực C1 về cực B2 sẽ làm cho Transistor dẫn mạnh hơn tiến dần đến bão hòa, Transistor dẫn điện yếu hơn tiến dần đến ngưng dẫn. Giả thiết T1 dẫn điện mạnh hơn, tụ C1 nạp điện qua RC2 làm cho dòng IB1 tăng cao nên T1 tiến đến bão hòa. Khi T1 bão hòa, dòng IC1 tăng cao và VC 1 ≈ VCE sat ≈ 0,2V,tụ C2 xả điện qua RB2 và qua T1. Khi tụ C2 xã điện, điện áp âm trên tụ C2 đưa vào cực B2 làm T2 ngưng ( hình 3.21) Thời gian ngưng dẫn của T2 chính là thới gian tụ C2 xả điện qua RB2. Sau khi tụ C2 xả song, cực B2 lại được phân cực nhờ RB2 nên T2 dẫn bão hòa làm VC2 =VCE sat ≈ o,2V. điều Điều này làm tụ C1 xả điện qua RB1 và điện áp âm trên tụ C1 đưa vào cực B1 làm cho T1 ngưng. Lúc đó tụ C2 lại nạp điện qua RC1 làm cho dòng IB2 tăng cao và T2 bão hòa nhanh. Thời gian ngưng dẫn của T1 chính là thời gian tụ CC1 xả điện qua RB1. Sau khi tụ C1 xả điện xong, cực B1lại được phân cực nhờ RB1 nên T1 trở lại trạng thái dẫn bão hòa như trạng thái gỉa thiết ban đầu. Hiện tượng này được lặp lại tuần hoàn . c. Dạng sóng ở các chân: Xét cực B1 khi T1 bão hòa VB ≈ 0,8V. Khi T1 ngưng cho tụ C1 xả điện làm cực B1 có điện áp âm ( khoảng- VCC ) và điện áp âm này giảm dần theo hàm số mũ. Xét cực C1 : khi T1 bão hòa VC1 ≈ 0,2V, khi T1 ngưng VC1 ≈ +VCC . Dạng sóng raở cực C là dạng sóng vuông. Hình 3.23. Tương tự khi xét cực B2 và cực C2 .Dạng sóng ở hai cực này cùng dạng với dạng sóng ở cực B1 và C, nhưng đảo pha nhau. Chu kỳ của tín hiệu hình vuông là: Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 44 T= t1+t2. Trong đó: • t1 là thờigian tụ C1 xả điện qua RB1 từ điện áp –VCC lên nguồn +VCC nên điện áp tức thời của tụ ( lấy mức –VCC làm gốc ) là: VC1(t) = 2VCC. 11 1 .CR t Be − Thời gian để tụ C1 xả qua RB1 từ –VCC lên 0V cho bởi công thức: VCC = 2VCC. 11 1 .CR t Be − Suy ra: 11 1 .CR t Be − = 2 ⇒ 2 1 1 Ln R t B = ⇒ t1 = RB1 .C1 Ln2 ≈ 0,69RB1.C1 Tương tự, thời gian t2 để tụ C2 xả điện qua RB2 từ –VCC lên 0V là: t2 ≈ 0,69RB2.C2 Chu kỳ dao động là: T= t1+t2 = 0,69 ( RB1.C1 + RB2.C2 ) Trong mạch đa hài phi ổn đối xứng ta có : RB1 = RB2= RB C1 = C2 = C Chu kỳ dao động là: T = 2 x 0,69RB.C = 1,4 RB.C Tần số của xung vuông là: )..(69,0 11 2211 CRCRT f BB + == Nếu là mạch đa hài phi ổn đối xứng ta có : CRT f B .4,1 11 == d. Thiết kế mạch : Thiết kế mạch đa hài phi ổn theo các thông số kỹ thuật sau VCC = 12V, dòng điện tải qua cực là IL = 10mA transistor có β =100 tần số dao động là f = 1000 Hz. Bài giải Mạch đa hài phi ổn là loại đối xứng có sơ đồ như mạch đa hài cơ bản ( hình 3.21 và hình 3.22) -Tính điện trở RC : Khi transistor chạy bão hòa sẽ có: VC =VCEsat ≈ 0,2V IC = IL = 10mA Điện trở RC được tính theo công thức: RC = C CEsatCC I VV − = Ω≈− K VV mA 2,1 10 2,012 -Tính điện trở RB Để transistor chạy bão hòa sâu thường chọn hệ số bão hòa sâu là K = 3. 0,8v VB1 t VC1 -Vcc +Vcc t t1 C1 xả VB2 t VC2 -Vcc +Vcc t C1 xả t2 Hình 3. 23. Dạng sóng ở các chân. 0,8v Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 45 Ta có : IB = β CIK = mAmA 3,0 100 10.3 = . Điện áp phân cực cho transistor chạy bão hòa là VB = VBEsat = 0,8V. RB1 = RB2 = B EsatCC I VV B− = 37 3,0 8,012 =− mA VV KΩ. Chọn trị số tiêu chuẩn là: RB = 39KΩ. -Tính trị số tụ C: Từ công tính thức tần số của mạch đa hài phi ổn đối xứng là: CR f B .4,1 1= Suy ra: F fR C B µ=== 018,0 10.10.39.4,1 1 .4,1 1 33 3.5.3. Mạch phi ổn thay đổi tần số : a. Sơ đồ mạch Từ công thức tính tần số của mạch đa hài phi ổn định cho thấy tần số dao động có thể thay đổi bằng cách thay đổi trị số điện trở RB hay thay đổ giá trị tụ điện C. Thông thường người ta dùng biến trở VR để thay trị số RB như hình 3.23. b. Nguyên lý hoạt động: Biến trở VR là phần điện trở phân cực chung cho hai cực B của hai transistor. Điều kiện của mạch là khi điều chỉnh biến trở VR sẽ không làm thay đổi nguyên lý hoạt động của mạch , khi dẫn điện transistor vẫn phải ở trạng thái bão hòa. Khi điều chỉnh biến trở VR sẽ làm thay đổi trị số điện trở RB1 và RB2 trong khoảng : RB1max =R1 + VR hay RB2min = R2 + VR RB1min = R1 hay RB2min = R2 Giới hạn trên sẽ cho ra khoảng tần số mà mạch dao động có thể cho ra được. c. Thiết kế mạch : Giả thiết mạch đa hài phi ổn được thiết kế trong phần trên có tần số điều chỉnh được từ fmin = 500Hz đến fmax = 1500Hz thì phần tính toán được giải theo trình tự sau: *. Đầu tiên ta giả thiết mạch dao động đa hài phi ổn có tần số dao động không đổi là tần số trung bình của fmin và fmax : HzHzHzfff 1000 2 1500500 2 maxmin =+=+= *. Với tần số không đổi là f = 1000Hz bài toán đã trở về dạng thiết kế mạch đa hài phi ổn cơ bản như trên và ta đã có đã có kết quả: RC = RC1= RC2 = 1,2KΩ RB = RB1= RB2 = 39KΩ C = C1 = C2 =0,018µF *. Sau khi có kết quả trên ta giữ trị số tụ C không đổi và thay trị số điện trở RB để thay đổi tần số f. Ta có: CR f B .4,1 1= Suy ra: Cf RB .4,1 1= Trị số RB tỉ lệ nghịch với tần số f nên ta có hai trường hợp : - Tần số làfmin khi RBmax. - Tần số làfmax khi RBmin. Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 46 * Tính trị số điện trở RB. Ω=== − KCfRB 8010.018,0.500.4,1 1 4,1 1 6 min max . Ω=== − KCfRB 8010.018,0.500.4,1 1 4,1 1 6 min max Ω=== − KCfRB 2710.018,0.1500.4,1 1 4,1 1 6 max min . Trong phần nguyên lý ta có: RBmin = R1= R2 = 27kΩ RBmax = R1 + VR = R2 + VR = 80KΩ VR = RBmax - RBmin = 80KΩ - 27kΩ = 53KΩ Chọn biến trở VR = 50KΩ theo tiêu chuẩn. Sơ đồ mạch hình 5.24 là mạch đa hài phi ổn thay đổi tần số được thiết kế. * Kiểm tra điều kiện bão hòa. Điều kiện của mạch đa hài phi ổn la khi dẫn điện phải ở trạng thái bão hòa. Khi thay đổi biến trở VR sẽ làm thay đổi RB vàdòng điện IB nên cần kiểm tra lại trạng thái dẫn của transistor khi có RBmax. Ta có : mA KR VV I VV B BEsatCC B 14,080 8,012 max max =Ω −=−= Do dòng điện IC = 10 với β =100 thì ở trạng thái khuếch đại ta có: mAmAII CB 1,0100 10 ==β= Dòng điện IBmin = 0,14mA vẫn lớn hơn IB =0,1mA nên vẫn đảm bảo transistor dẫn điện bão hòa. Trường hợp không đạt điều kiện này thì phải chọn transistor cóβ lớn hơn hay dùng transistor ráp kiểu Darlington. 3.5.4. Mạch thay đổi chu trình làm việc. Trong chương 1 khái niệm cơ bản về kỹ thuật xung, phần các thông số của tín hiệu xung có khái niệm về chu kỳ T của tín hiệu xung là: T = ton + tof Trong đó ton là thời gian tín hiệu xung có điện áp cao tof là thời gian xung có điện áp thấp. Từ khái niệm trên người ta đưa ra hai khái niệm khác là độ rỗng Q và hệ số đầy η của xung. Độ rỗng của xung được tính theo công thức: ont TQ = Nghịch đảo của độ rộng xung là hệ số đầy được tính theo công thức: T ton Hệ số đầy còn được gọi tên bằng một khái niệm kỹ thuật khác là chu trình làm việc D (Duty Cycle) Như vậy : D = T ton 100% Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 47 Trong mạch dao động đa hài phi ổn ối xứng ta có thời gian xả của tụ C1 bằng thời gian xả của tụ C2 nên: t1 = t2 ⇒ ton = toff = T2 1 Chu trình làm việc của mạch đa hài đối xứng là: D = T ton 100% = 50% Để thay đổi chu trình làm việc D người ta phải thay đổi ton hoặc toff nhưng phải giữ nguyên chu kỳ T. a. Sơ đồ mạch thay đổi chu trình làm việc : Mạch điện hình 5.25 có biến trở VR dùng để thay đổi chu trình làm việc D. VR =R1 + R2. Điện trở R là phần điện trở RB dùng chung cho cả hai transistor. Ta có : RB1 = R + R1. RB2 = R + R2. Khi điều nchỉnh biến trở theo hướng tăng trị số R1 sẽ làm giảm trị số R2 và ngược lại. Điều này có nghĩa là khi RB1 tăng thí giảm trị số RB2 và ngược lại. Ta vẫn có thời gian xả của hai tụ C1 và C2 tính theo công thức sau: t1 = 0,69RB1 .C1 = 0,69 (R+ R1) C1 t2 = 0,69RB2 .C2 = 0,69 (R+ R2) C2 Giả thiết C1=C2=C ta có chu kỳ T của tín hiệu xung vuông là: T = t1 + t2 = 0,69 (R+ R1) C1 + 0,69 (R+ R2) C2 T = 0,69 [(R+ R1) + (R+ R2)] C T = 0,69 [(R+ R1) + (R+ R2)] C T = 0,69 (2R+ R1 + R2) C T = 0,69 (2R+ VR) C Như vậy, khi điều chỉnh biến trở VR sẽ làm không thay đổi chu kỳ T tức là giữ nguyên tần số f mà chỉ làm thay đổi thời gian t1, t2 tức là thời gian ton, toff sẽ làm thay đổi chu trình làm việc D. b. Nguyên lý thiết kế: Biến trở VR là phần điện trở phân cực chung cho hai cực B của hai transisto. Khi điều chỉnh biến trở đúng vị trí giữa điện trở phân cực cho hai transistor bằng nhau là: 21 BB RR = = R + R1 = R +R2 = R + VR2 1 Khi thay đổi vị trí của biến trở VR sang phải hay sang trái làm tăng điện trở phân cực RB1, giảm điện trở phân cực RB2 và ngược lại. Khi RB1 cực tiểu thì RB2 cực đại và ngược lại Ta có : RB1min = RB2min = R RB1max = RB2max = R +VR Giả thiết mạch đa hài phi ổn được thiết kế trong phần trên có tần số dao động là 1000Hz nhưng chu trình làm việc thay đổi được từ 40% đến 60% thì phần tính toán được giải theo trình tự sau: +VCC RC C2 C1RC1 VR R T1 T2 Hình 3.25: Mạch thay đổi chu trình Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 48 * Đầu tiên ta giả thiết mạch dao động đa hài phi ổn có tần số là f = 1000Hz và chu trình làm việc không đổi là 50% ( mạch phi ổn đốùi xứng). * Với giả thiết bài toán đã trở về dạng thiết kế mạch cơ bản như trên và đã có kết quả: RC = RC1= RC2 = 1,2KΩ BR = RB1= RB2 = 39KΩ ( Trị số RB trung bình ứng với biến trở VR ở vị trí giữa) C = C1 = C2 =0,018µF * Sau khi có kết quả trên ta giữ trị số tụ C không đổi và thay đổi trị số điện trở RB1, RB2 để thay đổi t1, t2 tức là thay đổi chu trình làm việc. Ta chỉ cần tính cho t1 sẽ suy ra tương tự cho t2 Từ tần số f = 1000Hz suy ra chu kỳ T là: ms f T 1 1000 11 === Khi chu trình làm việc là D = 40% thì thời gian t1 là: t1 = msT 4,0100 40 = và t1 = 0,69RB1min .C = 0,4 ms Suy ra: RB1min = Ω=− Kms 2,3210.018,0.69,0 4,0 6 ⇒ R = RBmin = 32,2 KΩ (chọn R = 33KΩ) Khi chu trình làm việc là D = 60% thì thời gian t1 là: t1 = msT 6,0100 60 = và t1 = 0,69RB1max .C = 0,6 ms Suy ra: RB1max = Ω=− Kms 3,4810.018,0.69,0 6,0 6 . ⇒ RB1max = R + VR. Như vậy: VR = RB1max – R = 48,3 KΩ – 33 KΩ = 15,3 KΩ. Chọn biến trở VR = 15 KΩ. 3.5.5. Mạch đa hài phi ổn ở các dạng khác. a. Mạch đa hài phi ổn dùng diode sửa dạng sóng: Khi transistor trong mạch phi ổn đổi trạng thái từ bão hòa (VC = VCEsat ≈ 0,2V) sang ngưng dẫn (VC ≈ VCC ) thì điện áp ra không tăng lên tức thời theo dạng sóng vuông được vì lúc đó tụ C nạp qua RC làm điện áp ra tăng lên theo hàm số mũ. Thời gian điện áp ra tăng lên theo hàm số mũ gọi là thời gian hồi phục th. Thời gian này tụ thuộc hằng số thời gian nạp của tụ C và điện trở RC, th được tính theo công thức: th = 3τnạp = 3RC . C Để sửa chữa dạng sóng ra người ta dùng hai diod D1-D2 để cách ly các tụ C1-C2 với hai cực C1-C2 Khi T2 ngưng dẫn tụ C1 sẽ không nạp điện qua RC2 vì D2 bị phân cực ngược, do đón tụ C= sẽ nạp điện qua RD2 . Như vậy điện áp VC2 sẽ tăng nhanh cho ra dạng sóng vuông. Suy luận tương tự cho tụ C2 và điện áp VC1 khi T1 ngưng dẫn. Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 49 b. Mạch đa hài phi ổn hồi tiếp về cực E : Mạch điện hình 5.28 có tụ hồi tiếp C nối giữa hai cực E, trong khi tụ CB loại tụ hóa có trị số lớn sẽ có tác dụng lọc bỏ thành phần xoay chiều xuống mass. Transistor T1 được ráp như kiểu cực B chung nên tín hiệu cực E và ra ở cực C1. VCC C + Rc1 Rc2 T2 Rb T1 ReRb2 Rb1 Mạch điện 3.28 chạy theo nguyên lý sau. Khi mới mở điện, tụ CB nạp nên VB1 = 0V làm T1 ngưng và VC1 tăng cao làm cho T2 bão hòa, dòng IC2 tăng ca. Dòng IE2 sẽ qua RÈ2 làm VE2 tăng, tụ C nạp điện qua RC2 và RE1. Dòng nạp vào tụ C làm VÉ1 tăng nên transistor T1 càng dễ ngưng dẫn. Khi tụ C nạp đầy thì IE1 ≈ 0 làm VE2 giảm trong khi đó tụ CB đã nạp đầy nên VB1 cao làm làm T1 bão hòa. Khi T1 bão hòa có dòng IC1 qua RC1 nên VC1 giảm làm VB2 giảm và T2 ngưng. Khi T1 bão hòa, T2 ngưng thì điện áp trên tụ C sẽ nối tiếp với điện áp nguồn và tụ C sẽ xả qua RC1 và RE2. Khi tụ C xả điện qua RE2 sẽ làm VE2 giảm dần đến mức đủ nhỏ thì T2 lại dẫn điện tạo dòng điện nạp vào tụ C nên VE1 lại tăng cao làm T1 ngưng dẫn. Mạch đã trở lại trạng thái ban đầu. Hiện tượng trên lại tiếp tục và tuần hoàn. V O t Hình 3. 26. Dạng sóng vuông do thời gian hồi phục. th th Hình 3.28. Mạch phi ổn hồi tiếp về cực E. Hình 3.29. Mạch phi ổn dùng chung Re. Hình 3.27. Dùng Diode sửa dạng sóng. T2 Rb2 Rc2Rd2Rb1 Vcc Rc1 D1 Rd1 T1 D2 C1C2 T2 Re1Cb + Vcc Rc2Rc1 C + Re2 Rb T1 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 50 Mạch điện hình 3.29 có tụ C ghép giữa cực C1 và cực B2, mạch hồi tiếp được thực hiện nhờ hai transistor có chung điện trở RE . Khi mở điện tụ C nạp nhanh qua RC1- T2-RE làm T2 dẫn và cho ra IE2 qua RE nên VE1 = VE2 tăng cao và làm T1 ngưng. Khi tụ C nạp đầy làm mất dòng IB2 nên T2 ngưng dẫn. IE2 = 0 làm cho T1 dẫn bão hòa nhờ có cầu phân áp RB1 và RB2. Lúc đó điện áp trên tụ C nối tiếp với điện áp nguồn sẽ xả qua RB và T1-RE. Sau khi tụ xả xong làm mất điện áp âm đặt vào cực B2 nên T2 dẫn điện trở lại như trạng thái ban đầu. Trong mạch điện hình 3.28 tụ C nạp điện qua RC2 - RE1 và xả điện qua RC1- RC2. Ta có : τnạp= ( RC2 + RÉ1 ).C và τxả = ( RC1+ RÈ2 ) C. Nếu mạch được thiết kế có RC1 = RC2 và RE1 = RE2 thì xung vuông ở ngõ ra là tín hiệu vuông đối xứng. Trong mạch điện hình 3.29 tụ C nạp qua RC1-RE,xả điện qua RB- RE. Ta có : τnạp = (RC1+ RE ) .C và τxả = ( RB + RE ).C Do điện trở RB thường rất lớn so với RC1 nên xung ra là một tín hiệu vuông không đối xứng . c. Mạch đa hài phi ổn dùng hai Transistor khác loại: Trong mạch điện hình 4.30 dùng hai Transisitor khác loại để tạo mạch đa hài phi ổn gồm T1 loại NPN và T2 loại PNP . Mạch có nguyên lý làm việc như sau : Khi mở điện T1 dẫn do được phân cực cầu phân thế RB1- RB2 .Lúc đó dòng IC1 làm giảm điện áp VC1 nên cũng làm giảm VB2. Hiện tượng này sẽ làm cho T2 cũng được phân cực nên â dẫn điện ( vì T2 là loại PNP) Khi T2 dẫn có dòng IC2 qua RC2 làm VC2 tăng và tụ C nạp điện qua RE2 – T2 và RB2 xuống mass. Dòng nạp này qua RB2 làm VB1 tăng và T1 chạy bão hòa kéo T2 bão hòa theo. Khi tụ C nạp đầy làm mất dòng điện qua RB2 nên VB2 giảm làm T1 chạy yếu dẫn theo T2 chạy yếu. Lúc đó VC2 giảm nhỏ do T2 dẫn yếu làm điện áp trên tụ C ghép nối tiếp với điện áp nguồn và tụ C sẽ xả điện qua RB1 và RC2. Lúc đó điện áp âm trên tụ C sẽ làm VB1 âm, nên T1 ngưng kéo theo T2 ngưng theo. Khi tụ C xả điện xong thì mạch trở lại trạng thái ban đầu và hiện tượng trên được tiếp diễn liên tục tuần hoàn. Thời gian nạp của tụ qua ØRE2 va RB2 có trị số nhỏ nên ngắn hơn so với thời gian xả của tụ RB1 và RC2. Do đo, tín hiệu xung ra có dạng xung vuông không đối xứng. d. Mạch đa hài phi ổn cho ra tần số thấp: Mạch đa hài phi ổn cơ bản có công thức tính tần số dao động là: CR f B .4,1 1= Trong công nghiệp có những trường hợp cần tạo ra tín hiệu xung bỏ có tần số f rất thấp (f<<1Hz) thí dụ: f = 0,01Hz Nói cách khác, xung vuông có chu kỳ T rất dài (T>>1gy). Theo công thức trên, để có f rất thấp thí trị số RB và tụ C phải rất lớn. Trong thực tế trị số tụ C loại tụ hóa cũng có mức giới hạn không thể quá lớn, điện trở RB nếu quá lớn sẽ không thỏa điều kiện bão hòa sâu vì lúc đó dòng IB sẽ nhỏ theo công thức: IB = β CIK. Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 51 Để giải quyết cho trường hợp trên ta có thể dùng hai transistor ráp kiểu Darlington để có độ khuếch đại dòng lớn. Trong mạch điện hình 4.31, hai transistor T1A-T1B ráp kiểu Darlington, T2A-T2B ráp kiểu Darlington để tạo ra mạch đa hài đối xứng với cách ráp kiểu Darlington thì độ khuếch đại dòng chung cho hai transistor là: βchung = βA - βB ( ≈ vài ngàn ÷ vài chục ngàn) Điều kiện bão hòa sâu bây giờ sẽ là: BA C B I KI ββ= Với β chung rất lớn thì dòng điện IB sẽ có trị số rất nhỏ và điều này giúp cho việc chọn trị số RB có thể lớn theo công thức: B BECC B R VV R 2−= Hình 3.28. Mạch phi ổn có tần số thấp C2 + Vcc T1 T3 Rb2Rc1 C1 Rb1 + Rc2 T2 T4 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 52 CHƯƠNG 4 CÁC MẠCH DAO ĐỘNG KHÁC 4.1. MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI DÙNG OP-AMP Trong phần trước chúng ta đã khảo sát các mạch tạo xung dùng transistor rời, trong phần này chúng ta sẽ khảo sát các ứng dụng của OP-AMP trong kỹ thuật xung. 4.1.1. Mạch lưỡng ổn (FLIP – FLOP) dùng OP-AMP: Mạch F/F dùng OP-AMP như sơ đồ hình 4.1 có hai OP-AMP làm việc như hai mạch khuếch đại so sánh. Hai OP-AMP sẽ ở trạng thái bão hòa dương nếu có: +iV > − iV ⇒ V0 = +VCC hay ở trạng thái bão hòa âm nếu có: −iV > +iV ⇒ V0 = + 0V Giả thuyết mạch có trạng thái như hình vẽ với V01 = +VCC và V02 = 0V OP-AMP (1) được hồi tiếp từ V02 = 0V về ngõ In- qua điện trở 10K nên vẫn có : + iV > − iV và V01 = +VCC ổn định OP-AMP (2) được hồi tiếp từ V01 = +VCC về ngõ In- qua điện trở 10K (10K +iV và V01 = 0V ổn định Đây là trạng thái ổn định thứ nhất của mạch F/F, OP-AMP(1) ở trạng thái bão hòa dương và OP-AMP(2) ở trạng thái bão hòa âm. Để đổi trạng thái của F/F, cho công tắc S nối vào ngõ In- của OP-AMP(2) đang bão hòa âm. Lúc đó −iV = 0V và +iV > − iV nên OP-AMP(2) chuyển sang bão hòa dương, V02 = + VCC qua điện trở hồi tếp 10K sẽ làm đổi trạng thái cũ OP-AMP(1) từ bão dương sang bão hòa âm vì lúc đó OP-AMP(1) có ø −iV > +iV . Lưu ý: Điện trở hồi tiếp phải có trị số khá nhỏ so với điện trở nối ngõ In+ lên nguồn +VCC Công tắc S có điểm chung nối masse xem như xung âm kích điều khiển F/F. Công tắc điều khiển lên nguồn +VCC qua điện trở để kích đổi trạng thái của F/F như xung dương kích điều khiển F/F. Trường hợp này xung dương phải được đưa vào OP-AMP (1) đang bão hòa dương. Sơ đồ hình là hình 4.3 mạch F/F dổi trạng thái bằng xung dương. Như vậy, để đổi trạng thái bằng xung dương. - Cho xung âm( hay mức điện thế thấp) vào ngõ In- của OP-AMP đang bão hòa âm. - Cho xung dương (hay mức điện thế cao ) vào ngõ In- của OP-AMP đang bão hòa dương. 4.1.2. Mạch flip-flop hồi tiếp bằng diode: Mạch Flip-Flop hình 4.3 dùng hai diode +VCC +VCC Vo1=+VC C Vo2=0v + - 3 2 6 - + 1 2 3 10 K 100K 100K 1 2 10 K 1 Hình.4.1: Mạch F/F dùng OP-AMP kích đổi trạng thái bằng xung âm +VCC Vo1=+VCC Vo2=0v +VCC 1 100K - + 2 3 + - 3 2 6 100K 10K 10K Vo1 Vo2 + Hình 4.3: Mạch F/F hồi tiếp bằng D Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 53 D1-D2 để nhận xung kích ở ngõ vào và hai diod D3-D4 để lấy điện áp hồi tiếp. Giả sử mạch đang có trạng thái ổn định như hình vẽ, OP-AMP(1) đang bãohòa dương, V01=+VCC; OP-AMP (2) đang bão hào âm, V01ï =OV. Trường hợp này nếu cho xung âm vào ngõ V12 của OP-AMP đang bão hòa âm thì diode D2 bị phân cực ngược nên xung âm không tác động được vào mạchF/F phải cho xung dương vào ngõVi 1 của OP-Amp đang bão hòa dương. Lúc đó, diode D1 được phân cực thuận sẽ cho xung dương vào mạch F/F và làm cho mạch đổi trạng thái. Như vậy, khi sử dụng diode như hình 4.3 thì 2 mạch F/F chỉ còn một cách kích đổi trạng thái là cho xung dương (hay mức điện thế cao) vào ngõ In- của OP-AMP (1) đang bão hòa dương. 4.1.3. Mạch dao động tích thoát: a. Nguyên lý: Mạch điện hình 4.4 là sơ đồ mạch dao động tích thoát dùng OP-AMP để cho ra tín hiệu vuông. Sơ đồ có hai mạch hồi tiếp từ ngõ ra về hai ngõ vào. C ầu phân áp RC hồi tiếp về ngõ In- ,cầu phân áp R1 –R2 hồi tiếp về ngõ In+. Để giải thích nguyên lý mạch ta giả sử tụ C chưa nạp điẹân và OP-AMP đang ở trạng thái bão hòa dương. Lúc này cầu phân áp R1 – R2 đưa điện áp dương về ngõ In+ với mức điện áp là : V0 = +VCC =++= + 21 2. RR R VV CCin VA ( +inV > 0V) Trong khi đó, ở ngõ In- có điện áp tăng dần lên từ 0V, điện áp tăng do tụ C nạp qua R theo quy luật hàm số mũ với hằng số thời gian là τ =R.C Khi tụ C nạp có −inV < +inV thì OP-AMP vẫn ở trạng thái bão hòa dương. Khi tụ C nạp đến mức điện áp −inV > +inV thì OP-AMP đổi thành trạng thái bão hòa âm, ngõ ra có V0 = -VCC. Lúc này cầu phân áp R1 – R2 đưa điện áp âm về ngõ In+ với mức điện áp là: =+−= + 21 2. RR R VV CCin VB ( +inV < 0V ) Trong khi đó ở ngõ In- vẫn còn đang ở mức điện áp dương với trị số: 21 2. RR R VV CCin ++= − do tụ C đang còn nap điện. Như vậy OP-Amp sẽ chuyển sang trạng thái bão hòa âm nhanh cho cạnh vông thẳng đứng. Tụ C bây giờ sẽ xả điện áp dương đang nạp trên tụ qua R1 và tải ở ngõ ra xuống mass.ï Khi tụ Cõ xả điện áp dương đang có thì +inV vẫn ở mức điện áp âm nên OP-AMP vẫn ở trạng thái bão hòa âm. Khi tụ Cõ xả hết điện áp dương sẽ nạp điện qua R để có điện áp âm đang có do ngõ ra đang ở trạng thái bão hòa âm chiều nạp bây giờ ngược với chiều dòng điện nạp trên hình vẽ. Khi tụ C nạp điện áp âm đến mức −inV < +inV (ngõ In - nhỏ hơn ngõ In+) thì OP-AMP lại đổi thành trạng thái bão hòa dương về ngõ ra có V0 = +VCC. +VCC -VCC - + 1 2 3 R2 R R1 C H6-4 Hình 4.4. Mạch phi ổn hồi tiếp về cực E. Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 54 Mạch đã trở lại trạng thái giả thiết ban đầu và hiện tượng trên cứ tiếp diễn liên tục tuần hoàn . b. Dạng sóng ở các chân: Mức giới hạn điện áp ngõ ra là: V0max ≈ +VCC V0min ≈ -VCC Mức giới hạn điện áp ở hai ngõ vào là: VA 21 2. RR R VCC ++= VB 21 2. RR R VCC +−= Dạng điện ở ngõ vào In- là dạng tan giác. Thời gian điện áp ở ngõ vào In- tăng từ VB lên VA là OP-ANP ở trạng thái bão hòa dương, Thời gian điện áp ở ngõ vào In- giảm từ VA xuống VB là OP-ANP ở trạng thái bão hòa dương. Dạng điện áp ở ngõ In+ và ngõ ra là trạng thái xung vuông đối xứng. Chu kỳ của tín hiệu được tính theo công thức 1 21 2.2 R RR CLnRT += Suy ra tần số của tín hiệu xung được tính theo công thức T f 1= Trường hợp đặc biệt : R1 = 2R2 ⇒ T = 2.R.CLn2 (LN2 = 0,69) =2.R.C.0,69 ⇒ f = CRCR ..4,1 1 ..69,0.2 1 ≈ R1 = R2 ⇒ T = 2.R.CLn3 (LN3 = 1,1) =2.R.C.1,1 ⇒ CR f ..2,2 1= c. Mạch đổi tần số: Theo công thức tính chu kỳ và tần số dao động như trên ta có thể đổi tần số dao động bằng các phương pháp sau: Thay đổi tỉ số của cầu phân thế trong mạch hồi tiếp chương ( R1 và R2 ) Thay đổi trị số điện trở R hay tụ C trong mạch hồi tiếp âm. Tần số của mạch dao động tính thoát hình 6-6 được tính theo công thức: T= 2 (R+ VT1) .CLn 1 221 )(2 R VRRR ++ d. Mạch đổi chu trình làm việc: Trong sơ đồ mạch dao động tích thoát cơ bản dùng OP-AMP, tụ C nạp điện và xả điện đều qua điện trở R nên hằng số thời gian nạp và xả bằng nhau. Điều này có nghĩa là thời gian xung vuông có điện áp cao và thời gian xung vuông có điện áp thấp dài bằng nhau. Xung vuông ra là xung không đối xứng có chu trình làm việc là D = 50%. VA Vin- VB Vin+ VA VB Vcc -Vcc V0 t t t Hình 4.5. Dạng sóng ở các chân. Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 55 Để thay đổ chu trình làm việc, mạch dao động tích thoát có sơ đồ như hình 4.47, biến trở VR sẽ làm thay đổi thời gian nạp và thời gian xả của tụ theo hai hướng ngược nhau,nên tăng thời gian nạp sẽ làm giảm thời gian xảvà ngược lại Khi tụ C nạp điện áp dương từ ngõ ra sẽ nạp qua điện trở R, biến trở VR ( phàn dưới ) và qua diode D2. Khi tụ C xả điện áp dương và sau đó nạp điện áp âm sẽ xả qua R< biến trở VR ( phần trên ) và qua diode D1. Khi điều chỉnh biến trở VR chỉ làm thay đổi chu trình làm việc mà vẫn giữ nguyên tần số dao động. 4.1.4 Mạch tạo xung vuông và tam giác: Mạch dao động tích thoát cơ bản tạo xung đối xứng ở ngõ ra. Nếu kết hợp mạch tích phân tích cực dùng OP-AMP thì mạch có thể cho ra xung tam giác. Hình 4.8: Mạch tạo xung vuông và tam giác OP-AMP (1) là mạch dao động tích thoát để tạo xunh vuông theo nguyên lý trên. Xung vuông được lấy trên biến trở VR1 để thay đổi biên độ ngõ ra OP-AMP (2) là mạch tích phân tích cực nhận xung vuông từ ngõ ra của OP-AMP(1) đổi thành dạng xung tam giác.Xung tam giác được lấy trên biến trở VR2 để thay đổi biên độ ngõ ra. 4.2. MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI DÙNG VI MẠCH 555. Vi mạch định thì 555 là mạch tích hợp Analog – Digital nên có nhiều tác giả xếp vào một chương trong giáo trình Mạch tương tự, có nhiều tác giả lại xếp vào một chương trong giáo trình Mạch số Vi mạch định thì 555 và họ của nó được ứng dụng rất ộng rãi trong thực tế ,đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển vì nếu kết hợp với các linh kiện RC thì nó có thể thực hiện nhiều chức năng như định thì,tạo xung chuẩn ,tạo tín hiệu kích hay điều khiển các linh kiện bán dẫn công suất như Transistor,SCr,Triac… Do đó chúng tôi xếp Vi mạch định thì 555 là một chương trình ″ Kỹ thuật xung”. 4.2.1. Sơ đồ chân và cấu trúc: Vi mạch 555 được chế tạo thông dụng nhất là dạng vỏ Plastic như hình vẽ 4.9 Chân1: GND (nối đất) Chân2: Trigger Input (ngõ vào xung nảy) Chân3: Output ( ngõ ra) Chân4: Reset (hồi phục) Chân5: Control Voltage ( điện áp điều khiển) Chân6: Threshold (Thềm –ngưỡng) Chân7: Dirchage ( xả điện) NE555 1 2 3 4 8 5 H4.9 Vo1Vo1 +VCC -VCC +VCC -VCC R R1 R2 - + 1 2 3 - + 1 2 3 C1 VR1 1 3 2 VR2 1 3 2 R3 R5 R4 C2 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 56 Chân8: +VCC ( nguồn dương) Bên trong vi mạch 555 có hơn 20 Transistor và nhiều điện trở thực hiện chức năng như trong hình 4.10 gồm có: 1)-Cầu phân àp gồm 3 điện trở 5KΩ nối từ nguồn =UCC xuống mass cho ra 2 áp thế chuẩn là 1/3 UCC và 2/3 UCC . 2)-OP-AMP (1) là mạch khuếch đại so sánh có ngõ I-n nhận điện áp chuẩn 2/3 UCC còn ngõ I+n thì nối ra ngoài chân 6. Tùy thuộc điện áp của chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3 UCC mà OP-AMP (1) có điện áp mức cao hay thấp để làm tín hiệu R (Reset) điều khiển Flip-Flop(F/F). 3)-OP-AMP(2) là mạch khuếch đại so sánh có ngõ I+n nhận điện áp chuẩn 1/3 UCC còn ngõ I-n thì nối ra ngoài chân 2. Tùy thuộc điện áp chân 2 so với điện áp chuẩn 1/3 UCC mà OP-AMP (2) có áp thế ra mức cao hay thấp để làm tín hiệu S (Set) điều khiển Flip –Flop (F/F). 4)-Mạch Flip-Flop (F/F) là loại mạch lưỡng ổn kích một bên. Khi chân Set (S) có điện áp cao thì điện áp nầy kích đổi trạng thái của F/f là ngõ Q lên mức cao và ngõ Q của xuống mức thấp. Khi ngõ Set đang ở mức cao xuống thấp thì mạch F/F không đổi trạng thái. Khi chân Reset ® có điện áp cao thì điện áp nầy kích đổi trạng thái. Khi chânReset (R ) có điện áp cao thì điện áp nầy kích đổi trạng thái của F/f làm ngõ Q lên mức cao và ngõQ xuống mức thấp. Khi ngõ Reset đang ở mức cao xuống thấp thì mạch F/F không đổi trạng thái. 5)-Mạch OUTPUT là mạch khuếch đại ngõ ra để tăng độ khuếch đại dòng cấp cho tải. Đây là mạch khuếch đại đảo có ngõ vào là chân Q của F/F nên khi Q ở mức cao thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp thấp (≈0v) và ngược tại khi Q ở mức thấp thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện ápcao (≈UCC ) . 6)- Transistor T1 có chân e nối vào 1 điện áp chuẩn khoảng 1,4 V và loại Transistor. PNP nên khi cực b nối ra ngoài bởi chân 4 có điện áp cao hơn 1,4V thì T1 ngưng dẫn nên T1 không ảnh hưởng đến hoạt động của mạch khi chân 4 có điện trở trị số nhỏ thích hợp nối mass thì T1 dẫn bão hòa đồng thời làm mạch OUTPUT cũng dẫn bão hòa và ngõ ra xuống thấp. Chân 4 được gọi là chân Reset có nghĩa là nó Reset IC Hình 4.10 Cấu trúc của IC 555. V r =1,4V T2 + - 3 2 6 + - 3 2 6 5K 5K 5K T1 3 2 1 F/F OUT PUT NOT R S 1/3 VCC 2/3 VCC 1 2 3 4 5 6 7 8 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 57 555 bất chấp tình trạng ở các ngõ vào khác, do đó chân Reset dùng để kết thúc xung ra sớm khi cần. Nếu không dùng chức năng Reset thì nối chân4 lê UCC để tránh mạch bị Reset do nhiễu. 7)- Transistor T2 là Transistor có cực C để hở nối ra chân7 (Discharge =xả ). Do cực Bược phân cực bởi mức điện áp ra Q của F/F nên khiQ ở mức cao thì T2 bão hòa và cực C của T2 coi như nối mass, lúc đóngõ ra chân 3 cũng ở mức thấp. Khi Q ở mức thấp thì T2 ngưng dẫn cực Ccủa T2 bị hở, lúc đó ngõ ra chân 3 có điện áp cao. Theo nguyên lý trên cực C của T2 ra chân 7có thể làm ngõ ra phụ có mức điện áp giống mức điện áp của ngõ ra chân 4. Hình 4.10 là sơ đồ cấu trúc bên trong của IC 555 vẽ theo kiểu sơ đồ chức năng. 4.2.2. Các mạch dao động. a. Mạch phi ổn cơ bản. Sơ đồ mạch hình 4.11 là ứng dụng của IC 555 là mạch đa hài phi ổn để tạo xung vuông. Trong mạch chân ngưỡng ( Threshoide ) số 6 được nối với chân nảy (Trigger) số 2 nên hai chân này có chung điện áp là điện áp trên tụ C để so với điện áp chuẩn 2|3 VCC và 1|3 VCC bởi OP- AMP (1) và OP- AMP (2). Chân 5 có tụ nhỏ, 01 nối mass để lọc nhiều tần số cao có thể làm ảnh hưởng điện áp chuẩn 2/3 VCC. Chân 4 nối nguồn + VCC nên không dùng chức năng Reset, chân 7 xả điện được nối vào giữa 2 điện trở RA và RB tạo đường xả điện cho tụ. Ngõ ra chân 3 có điện trở giới hạn dòng 1,2 K và Led để biểu thị mức điện áp ra – chỉ có thể dùng trong trường hợp tần số dao động có trị sô thấp từ 20HZ trở xuống thì ở tần số cao hơn 40HZ trạng thái sang + tắt của Led khó có thể nhận biết bằng mắt thường. Để phân tích nguyên lý của mạch cần phối hợp mạch ứng dụng hình 4.51 và sơ đồ cấu trúc hình 4.52 Khi mới đóng điện tụ C bắt đầu nạp từ OV lên nên: -OP-AMP (1) có VI+< VI- nên ngõ ra có V01 = mức thấp, ngõ R= 0 (mức thấp) - OP-AMP (2) có VI+ > VI- nên ngõ ra có V02 = mức cao , ngõ S=1(mức cao ) Mạch F|F có ngõ S=1 nên Q =1 và Q = 0 . Lúc đó ngõ ra chân 3 có V0 ≈ VCC (Do qua mạch đảo ) làm Led sáng . Transistor T2 có VB2 = 0 do Q =0 nên T2 ngưng dẫn để tụ C được nạp điện Tụ C nạp điện qua RA và RB với hằng số thời gian khi nạp là: )( BAnap RR +=τ Khi điện áp trêntụ tăng đến mức 1/3 VCC thì OP-AMP (2) đổi trạng thái, ngõ ra có V02 = mức thấp, ngõ S = 0 ( mức thấp ). Khi S xuốmg mức thấp thì F|F không đổi trạng thái nên điện áp ngõ ra vẫn ở mức cao, Led vẫn sáng . Khi điện áp trên tụ tăng đến mức 2|3 VCC thí OP-AMP (1) dổi trạng thái, ngõ ra có V01 = mức cao, ngõ R = 1. Mạch F|F có ngõ R= 1 nên Q= 1.Lúc đó ra chân 3 có V0 ≈ 0V làm Led tắt. Khi ngõ Q=1.sẽ làm T2 dẫn bão hòa và chân 7 nối mass,làm tụ C không nạp tiếp điện áp được Hình 4.11: M ạch đa hài phi ổn +VCC=12V .01 C R96 Ra R=1,2K Rb 555 12 3 4 5 6 7 8 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 58 mà phải xả điện qua RB và Transistor T2 xuống mass. Tụ C xả điện qua RB với hằng số thời gian là: τxả =RB . C Khi điện áp trên tụ – tức là điện áp chân 2 và chân 6- giảm xuống dưới 2/3 VCC thì OP-AMP(1) đổi trở lại trạng thái cũ là V01 = mức thấp, ngõ R = 0. Khi R xuống mức thấp thí F|F không đổi trạng thái nên điện áp ngõ ra vẫn ở mức thấp, Led vẫn tắt. Khi điện áp trên tụ giảm xuống đến mức 1/3 VCC thì OP-AMP(2) lại có VI+ > VI- nên ngõ ra có V02 = mức cao, ngõ S1 = 1.Mạch F|F có ngõ S=1 và 0=Q , ngõ ra chân 3 qua mạch đảo có V0 ≈ + VCC làm Led lại sáng, đồng thời lúc đó T2 mất phân cực do 0=Q nên ngưng dẫn và chấm dứt giai đoạn xả điện của tụ. Như vậy mạch đã trở lai trạng thái ban đầu và tụ lại nạp điện từ mức 1/3 VCC nên đến 2/3 VCC , hiện tưọng này sẽ tiếp diễn liên tục và tuần hoàn. Lưu ý: Khi mới mở điện tụ C sẽ nạp điện từ 0V lên 2|3 VCC rồi sau đó tụ xả điện là 2/3 VCC xuống 1/2 VCC chứ không xả xuống 0v. Những chu kỳ sau tụ sẽ nạp từ 1/3VCC lên 2/3 chứ không nạp từ 0v nữa. Thời gian tụ nạp là thời gian V0 ≈ + VCC , Led sáng. Thời gian tụ xả là thời gian V0 ≈ 0v , Led tắt. Thời gian nạp và xả tụ được tính theo công thức: Thời gian nạp : tnạp =0,69. τnạp : tnạp = 0,69 .( RA + RB ) C Thời gian xả : txả = 0,69.τxả .txả = 0,69 . RB . C Điện áp ở ngõ ra chân 3 có dạng hình vuông với chu kỳ là: T = tnạp +txả T = 0,69 ( RA + 2RB ) C Do thời gian nạp và thời gian xả không bằng nhau ( tnạp > txả ) nên tín hiệu hình vuông ra không đối xứng. Tần số của tín hiệu hình vuông là: CRRT f BA )2(69,0 11 +== b. Mạch phi ổn đối xứng : Trong mạch phi ổn cơ bản , do thời gian nạp và thời gian xả của tụ không bằng nhau nên dạng điện áp ở ngõ ra không đối xứng. Ta có : tnạp =0,69 ( RA + RB ) .C .txả = 0,69 RB .C Để cho dạng sóng vuông ở ngõ ra đối xứng người ta có thể thực hiện bằng nhiều cách Cách thứ 1: Chọn điện trở RA có trị số rất nhỏ so với RB thì lúc đó sai số giữa tnạp và txả coi như không đáng kể. Điều này khó thực hiện nếu làm việc ở tần số cao. Điện trở RA có trị số tối thiểu khoảng vài KΩ thì RB phải có trị số rất lớn khoảng vài trăm KΩ. Với các trị số điện trở này thì tần số dao đông không thể cao được. Cách thứ 2 : Dùng Diode D ghép song song RB theo chiều hướng xuống như hình vẽ 4.12 khi có Diode D, thời gian tụ C nạp làm Diode D được phân cực thuận có điện trở rất nhỏ nên coi như nối tắt RB. Thời gian nạp điện của tụ được tính theo công thức : tnạp 0,69 ≈ RA . C Khi tụ C xả điện thi Diode được phân cực ngược nên tụ vẫn xả điện qua RB. Thời gian xả điện của tụ được tính theo cong thức : txả = 0,69 RB .C Nếu chọn trị số RA bằng RB thì mạch sẽ tạo ra tín hiệu hình vuông đối xứng . Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 59 Hình 4.12a Hình 4.12b. Thật ra trong mạch điện hình 4.12a khi tụ nạp dòng điện phải qua RA và đện trở thuận của Diode nên thời gian nạp vẫn lớn hơn thời gian xả một ít. Để cho tín hiệu thật đối xứng thì ghép thêm Diode nối tiếp với điện trở RB như hình 4.12b, như vậy cả hai trường hợp nạp và xả đều có Diode. Điều kiện của hai mạch trên là RB phải có trị số khá lớn so với điện trở thuận của Diode. c. Mạch phi ổn điều chỉnh tần số và chu trình làm việc: Hai yêu cầu thường có trong thiết kế của mạch đa hài phi ổn là: Thay đổi tần số f mà vẫn giữ nguyên chu trình làm việc ( đói xứng ) Thay đổi chu trình làm việc mà vẫn giữ nguyên tần số f. Để có thể thay đổi tần số của tín hiệu hình vuông ra mà vẫn có tín hiệu đối xứng thì hai điện trở RA và RB phải được điều chỉnh sao cho cùng tăng hay giảm trị số. Lúc đó rong mạch điện có thêm hai biến trở VRA và VRB ghép nối tiếp như trong sơ đồ hình 4.46a. Để thay đổi chu trình làm việc – tức là thay đổi tỉ lệ thời gian tín hiệu có điện áp cao và thời gian tín hiệu có điện áp thấp hay là thời gian nạp và thời gian xả của tụ – nhưng vẫn giữ nguyên tần số nghiã là chu kỳ T bằng hằng số, hai điện trở RA và RB giảm cùng một giá trị thay đổi. Lúc đó trong mạch có thêm hai biến trở VRA và VRB ghép nối tiếp như sơ đồ hình 4.13b nhưng hai biến trở được điều chỉnh ngược hướng Hình 4.13a Hình 4.13b +VCC V o RB .01 RA VR1 1 3 2 VRB 1 3 2 48 555 3 1 5 2 6 7 C S +VCC Vo RA .01 RB VRB 1 3 2 VR1 1 3 2 48 555 3 1 5 2 6 7 C S +VCC +VCC C .01 RB RA R C .01 RB RA R1 2 3 4 5 6 7 8 555 1 2 3 4 5 6 7 8 555 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 60 2. Mạch đa hài đơn ổn dùng 555: a. Mạch đa hài đơn ổn cơ bản: Để có thể phân tích nguyên lý của mạch đơn ổn một cách rõ ràng, dễ hiểu chúng ta sử dụng sơ đồ hình 4.14 . Sơ đồ hình vẽ mạch áp dụng IC 555 làm mạch đơn ổn , sơ đồ hình 4.48 kềt hợp với sơ đồ cấu trúc bên trong IC. Trong mạch này chân ngưỡng số 6 và chân xả số 7 được nối vào điểm chung của mạch định thì RTC. Chân nhận xung kích số 2 được nối lên nguồn + VCC qua điện trở 10K sao cho chân này có điện áp lớn hơn 1/3VCC. H Hình 4.14 Đặc điểm của mạch đơn ổn là khi có xung âm hẹp tác động tức thời ở ngõ vào Trigger chân hai mạch sẽ đổi trạng thái và tại ngõ ra chân 3 sẽ có xung dương ra. Độ rộng xung ở ngõ ra có thời gian dài hay ngắn tùy thuộc mạch định thì RTC , sau đó mạch sẽ trở lại trạng thái ban đầu . Nguyên lý mạch đơn ổn được giải thích như sau : Khi mở điện tụ C nối chân 6 và 7 xuống masse làm OP- AMP (1) có ngõ In+ nhỏ hơn ngõ In- nên ngõ ra V01 = 0v, ngõ R ở mức thấp . Lúc đó OP-AMP (2) có ngõ In+ cũng nhỏ hơn ngõ In- nên ngõ ra V02 = 0v, ngõ s cũng thấp. Mạch F|F có hai ngõ R và S đều ở mức thấp và nhờ cấu trúc của mạch chi tiết nê F\F có ngõ ra Q ở mức cao , qua mạch đảo ngõ ra chân 3 sẽ có mức thấp gần 0v. khi Q ở mức cao ạo phân cực bão hòa cho T2 làm T2 dẫn nối chân 7 xuống mass, chân 6 cũng bị nối mass nên tụ C không nạp điện được, mạch sẽ ổn định ở trạng thái này nếu không có tác động khác ở bên ngoài . Khi đóng khóa K sẽ có xung âm kích vào chân Trigger số 2 làm OP-AMP (2) đổi trạng thái ngõ S lên mức cao . Mức cao của ngõ S điều khiển làm F|F đổi trạng thái , làm ngõ Q xuống mức thấp, ngõ ra qua mạch đảo sẽ tăng lên mức cao và xung dương ra. Lúc đó Q ở múc thấp nên T2 ngưng dẫn để tụ C nạp điện qua RT . Trong thới gian tụ C nạp điện mạch vẫn giữ trạng thái này nên ngõ ra tiếp tục ở ngõ cao . Điện áp nạp trên tụ có trị số tăng theo hàm số mũ và khi điện áp đạt gía trị 2|3 VCC thì OP-AMP (1) đổi trạng thái,ngõ R tăng lên mức cao . Ngõ Rcó mức cao sẽ điều khiển F|F trở lại trạng thái cũ , ngõ Q lên mức cao làm ngõ ra qua mạch đảo sẽ xuống mức thấp chấm dứt xung dương ra . Đồng thời lúc đó T2 được phân cực bão hòa nên chân 7 nối mass làm tụ C xả điện , mạch sẽ ổn định ở trạng thái này cho đến kyi nào có xung âm khác tác diộng vào chân Trigger ( số 2 ) Thời gia xung dương ra tức là thời gian nạp điện từ 0v lên 2|3 VCC được tính theo như sau : +Vcc 01 K C K Rt 555 12 3 4 5 6 7 8 Vo 10 K +Vcc Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 61 Điện áp nạp trên tụ tăng theo hàm số mũ là: VC = VCC ( 1- τ xt e ) Trong đó τ = RT . C Thời gian tụ nạp được điện thế từ 0V lên 2|3 VCC là tx được tính bởi : VC = VCC ( 1 - τ xt e ) = 2|3VCC Suy ra : ( 1- τ xt e ) = 3 2 hay là 1 - 3 2 = τ xt e ⇒ 3 1 = τ xt e = τ xt e 1 ⇒ τx t e = 3 Cuối cùng ta có hàm số ngược của hàm số mũ là Ln. Như vậy : tx = τ . Ln3 ( Ln3 = 1,1 ) tx = 1,1 RT . C Bình thường chân 2 phải có điện áp lớn hơn 1|3 VCC, khi có xung âm thì biên độ xung phải làm điện ápchân 2nhỏ hơn 1|3 VCC . Khi vừa có xung âm ở chân 2 thì ngõ ra bắt đầu có xung dương và tụ C bắt đầu nạp điện Thời gian xung dương ra tx không tùy thuộc độ xung âm ở ngõ vào mà chỉ tùy thuộc hằng số thời gian τcủa mạch định thì . Nếu dùng biến trở thay VR thay cho RT ta có thể thay đổi độ rộng xung ra , cách khác là thay đổi tụ C bằng các điện dung có trị số khác nhau . b. Mạch trì hoãn dùng kiểu đơn ổn . Mạch đơn ổn được ứng dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực tự động điều khiển và đặc biệt là mạch trì hoãn. Trong thực tế người ta không cần tạo xung điều khiển cho vào chân số 2 ( Trigger ) mà mạch tự tạo xung khi mở điện ở ngõ ra cũng bắt đầu có xung ra. Mạch điện hình 4.49 là sơ đồ mạch tự tạo xung khi mở điện. Trong sơ đồ chân số 2 ( Trigger ) được nối đến chân số 6 ( Threshold = thềm ) nên sẽ có chung điện áp giữa mạch nạp RT.C để so với hai điện áp chuẩn trong IC là 1|3 VCC và 2|3 VCC. Khi mở điện tụ C bắt đầu nạp từ 0v lên nên OP- AMP (2) có ngõ In+ Lớn hơn ngõ In- nên ngõ ra V02 ở mức cao, ngõ S cũng ở mức cao , mạch F|F có ngõ Q ở mức thấp và ngõ ra của IC có V0 ≈ VCC có nghĩa là tức thời có xung ra. Lúc đó OP- AMP (1) có ngõ In+ nhỏ hơn In- nên ngõ ra V01 ở mức thấp, ngõ R cũng ở mức thấp. Khi tụ nạp đir65n áp đến mức 1|3 VCC thì OP-AMP(2) đổi trạng thái , ngõ S xuống mức thấp nhưng mạch F/F cũng đổi trạng thái, ngõ Q tăng lên mức cao làm ngõ ra của IC giảm xuống mức thấp Vo = 0v và chấm dứt xung ở ngõ ra Thời gian có xung ra hay độ rộng xung chính là thời gian tụ C nạp từ 0v đến 2|3 VCC và cũng được tính theo công thức: tx = 1,1 RT.C Trong mạch này chân 7 ( Discharge = xả điện ) để trống không nối vào mạch nạp RT. R D RT c 0.1 6 4 8 2 1 5 3 555 Hình 4.15 Mạch trì hoãn kiểu đơn ổn Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 62 C nên tụ sẽ không xả điện và mạch sẽ giữ mãi ở trạng thái này. Muốn có xung ra tiếp thì phải tắt điện rồi mở lại. Trị số điện trở RT và tụ C được giới hạn trong khoảng : RT = 10 KΩ ÷ 14 MΩ C = 100pF ÷ 1000 MF Với các trị số trên Rt và C, mạch đơn ổn có thể cho ra xung có độ rộng ngắn nhất vài µs đến vài giờ. Như vậy, khi mở điện rơ-le RY không có điện do V0 ≈ VCC , sau khi chấm dứt xung tức là sau thời gian tx thì rơ-le RY có điện vì V0 ≈ 0v . khi rơ-le có điện sẽ đóng hay mở các tiếp điểm để điều khiển mạch khác thường là mạch công suất . Thật ra IC555 và họ IC định thì của nó có ứng dụng rất đa dạng , trong chương này chỉ giới thiệu hai ứng dụng cơ bản nhất của nó là mạch da hài phi ổn và da hài đơn ổn c. IC555 giao tiếp với các loại tải: IC555 có thể giao tiếp với nhiều loại tải khác nhau và tùy trường hợp mỗi loại tải đều có thể mắc theo 2 cách - Tải được cấp điện khi ngõ ra có điện áp thấp . Lúc đó IC sẽ cấp dòng điện Cho tải theo chiều từ nguồn qua IC rồi ra tải. Dòng điện tải trường hợp này được gọi là I nhận - Tải được cấp điện khi ngõ ra có điện áp cao. Lúc đó IC sẽ cấp dòng điện cho tải theo chiều từ nguồn qua IC rồi ra tải. Dòng điện tải trường hợp này được gọi là I nguồn. Vcc T1 TAÛI 3 8 555 T2 1 Hình 4-16a : Điện áp ra mức thấp Hình 4-17b: Điện áp ra mức cao Khả năng cung cấp dòng điện và điện áp của IC555 như sau: * Điện áp ở mức thấp : Với VCC = 15V . Điện áp V0 chính là 2CEU khi T2 bão hòa IL = 10mA ⇒ U0 = 0,1v Vcc T1 TAÛI 3 8 555 Vcc T2 1 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 63 IL = 50mA ⇒ U0 = 0,4v IL = 100mA ⇒ U0 = 2v IL = 200mA ⇒ U0 = 2,5 * Điện áp ra ở mức cao: Với UCC = 15v .Điện áp U0 chính là UCC - 2CEU . Khi T1 bão hòa IL = 100mA ⇒ U0 = 13,3v ⇒ 2CEU = 1,7v IL = 200mA ⇒ U0 = 12,5v ⇒ 2CEU = 2,5v * Tải là Led Nếu tải là Led thì phải dùng điện trở ghép nối tiếp với Led để giới hạn dòng qua Led Tùy theo cách mắc tải mà dòng điện qua Led có công thức tính khác nhau +Vcc T1 R 3 8 555 T2 +Vcc 1 Vcc T1 R3 R 3 8 555 T2 1 Hình 4-17a: Điện áp ra mức thấp Hình 4-17b: Điện áp ra mức cao Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 64 * Tải là Rơ-le : IC 555 có thể giao tiếp với các loại Rơ-le điều khiển . Các loại Rơ-le này có dòng thường nhỏ dưới 100mA và điện áp cũng thường ở mức thấp như 6v –12v-24v . RY +Vcc T1 3 8 555 T2 1 RY +Vcc T1 3 8 555 T2 1